汽車發(fā)動機罩的輕量化設計

段錦程

汽車發(fā)動機罩的輕量化設計

段錦程

（重慶理工大學 汽車零部件先進制造技術教育部重點實驗室，重慶 400054）

文章基于更換輕質(zhì)材料（鋁合金），并結(jié)合多目標優(yōu)化對發(fā)動機罩進行輕量化。對發(fā)動機罩的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、強度、模態(tài)、行人保護性能進行了分析。以剛強度及模態(tài)性能為約束，行人保護性能和發(fā)罩質(zhì)量為目標，在Isight軟件中搭建多目標優(yōu)化流程，經(jīng)過NSGA-Ⅱ算法迭代優(yōu)化得到最優(yōu)解。結(jié)果表明：優(yōu)化后的發(fā)罩相比原發(fā)動機罩，剛度性能與行人保護性能有小幅提升，質(zhì)量減輕39.85%，達到了很好的輕量化效果。該方法可為發(fā)動機罩輕量化設計提供一定的參考。

發(fā)動機罩；輕量化；鋁合金；多目標優(yōu)化；行人保護

引言

隨著全球汽車保有量的逐年增加，汽車交通事故數(shù)量不斷增長，能源緊缺和環(huán)境污染等問題的不斷涌現(xiàn)，新車型的設計需要滿足減排、低耗、安全等要求。這使得汽車的設計趨向于輕量化以及需要滿足更高的安全性等要求[1]。

在人車碰撞交通事故中，行人頭部與汽車發(fā)動機罩碰撞造成的頭部傷害是造成行人重傷和死亡的主要因素[2]。從行人保護的角度來講，發(fā)動機罩的剛度相對較小，有利于汽車對行人的保護。而發(fā)動機罩作為汽車大型覆蓋件和整體外觀的重要組成部分，則需要有足夠的剛強度性能。對于發(fā)罩的輕量化來說，在減輕其重量的同時，如何同時滿足發(fā)動機罩的各項性能要求，就顯得尤為重要。而多目標優(yōu)化就是解決多目標之間的沖突使得多個目標都盡可能達到最優(yōu)的一種優(yōu)化方法。本文運用多目標優(yōu)化，在考慮發(fā)動機罩的剛強度、模態(tài)性能的前提下，以發(fā)動機罩的行人保護性能及質(zhì)量最輕作為優(yōu)化目標，對發(fā)動機罩進行輕量化設計。

1 原發(fā)動機罩性能分析

發(fā)動機罩作為汽車前端重要的覆蓋件，同時也是汽車整體外觀重要組成部分，擔負著保護發(fā)動機艙零部件以及隔離噪聲等作用。所以發(fā)動機罩需要足夠的剛強度以及良好的模態(tài)性能。在人車碰撞交通事故中，行人頭部直接與發(fā)動機罩發(fā)生碰撞時，它的力學性能將直接關系到行人的生命安全。而發(fā)動機罩的輕量化，是在滿足發(fā)動機罩各項性能要求的前提下，最大程度的減輕發(fā)動機罩的重量。因此，在對發(fā)動機罩進行輕量化優(yōu)化設計前需要對其各項性能進行分析。

1.1 發(fā)動機罩剛度分析

發(fā)動機罩的剛度是指其在載荷作用下抵抗變形的能力，發(fā)動機罩的剛度沒有統(tǒng)一的標準[3]。根據(jù)某車企的相關標準，發(fā)動機罩的剛度性能分析工況包括以下 2種：

扭轉(zhuǎn)工況：約束左右兩側(cè)鉸鏈所有的自由度，左側(cè)緩沖塊處約束軸平動自由度，在右側(cè)緩沖塊處施加軸負方向100 N的載荷。

彎曲工況：約束左右兩側(cè)鉸鏈所有的自由度，緩沖塊處約束向平動自由度，在鎖鉤處施加軸負方向100 N的載荷。

圖1 發(fā)動機罩剛度分析工況

如表 1 所示，發(fā)動機罩的彎、扭剛度接近剛度參考值，滿足相關設計要求。因此，后續(xù)分析發(fā)罩的剛度性能時，應主要考察這兩個剛度能否滿足設計要求。

表1 兩種工況下的發(fā)動機罩剛度

工況彎曲工況扭轉(zhuǎn)工況 加載/N100100 剛度計算值103.41 N/mm105.88 Nm/° 剛度參考值100 N/mm100 Nm/°

1.2 發(fā)動機罩的強度分析

發(fā)動機罩的強度是指其在載荷作用下抵抗破壞的能力[3]。發(fā)動機罩垂直沖擊工況在使用中較為常見，以此工況作分析具有代表意義。約束方式為：發(fā)動機罩鉸鏈部位約束所有自由度，緩沖塊處約束向平動自由度。加載方式為：沿軸負方向施加3的載荷。如圖2所示最大應力為131 MPa小于材料的屈服強度。

圖2 發(fā)動機罩垂直沖擊工況應力云圖

1.3 發(fā)動機罩的模態(tài)分析

模態(tài)是NVH聲振粗糙度性能的重要考察指標。發(fā)動機罩作為汽車前倉大型覆蓋件也需要滿足整車的模態(tài)性能要求。轎車在工作中，發(fā)動機罩主要受到來自地面、車輪和發(fā)動機的激勵。由路面產(chǎn)生的激勵多在3 Hz以下，因車輪不平衡導致的激勵頻率一般在11 Hz以下，而發(fā)動機的怠速頻率通常在20 Hz左右。所以發(fā)動機罩在設計過程中應主動避開上述敏感頻率以免產(chǎn)生共振[4]。本文以Optistruct作為求解器，對發(fā)動機罩有限元模型進行自由模分析，前6階模態(tài)頻率值如表2所示。

表2 發(fā)動機罩前6階模態(tài)頻率值

階數(shù)123456 頻率/Hz18.7143.5053.2666.2381.2183.84

1.4 發(fā)動機罩的行人保護性能分析

基于C-NCAP2018法規(guī)要求，對發(fā)動機罩劃分網(wǎng)格點，并正確設置行人保護碰撞工況，通過有限元仿真計算得到各點的HIC值。選取發(fā)動機罩上的5個打擊點如圖3所示，以其HIC平均值表征該發(fā)動機罩的行人保護性能。所選打擊點含義如表3所示。

圖3 頭碰打擊點

表3 打擊點所對應的發(fā)動機艙結(jié)構及HIC值

打擊點HIC含義 C_4_01052碰撞區(qū)域的中心位置 A_8_4712內(nèi)板空洞的邊緣處 C_4_2822發(fā)動機上方空洞處 C_5_4952內(nèi)板的兩根梁的交叉處 C_4_5945內(nèi)板較短的梁處

綜上所述初始發(fā)動機罩的各項性能參數(shù)如表4所示。

表4 原發(fā)動機罩性能

彎曲剛度/（N/mm）扭轉(zhuǎn)剛度/（Nm/°）強度/MPa一階模態(tài)/Hz行人保護HIC平均值 103.41105.88131.24218.71896

2 輕量化材料的選擇

相比較于鋼材而言，鋁合金具有重量輕、強度高、成型性好、價格適中、回收率高等優(yōu)勢，因此，采用鋁合金已經(jīng)成為汽車輕量化設計的重要方法之一[5]。據(jù)研究表明[6]，由于發(fā)動機罩內(nèi)板的結(jié)構比較復雜，6000系變形鋁合金是生產(chǎn)輕量化發(fā)動機罩的合適材料。本文將原鋼制發(fā)動機罩的內(nèi)外板更換為6061鋁合金材料進行輕量化研究，鋁板和鋼板性能對比如表5。

表5 鋁合金6061材料性能

性能/材料密度/(g/cm3)彈性模量/MPa屈服強度/MPa泊松比 60612.771 0002140.33 IF 300-4007.85210 0002780.3

鋁合金發(fā)動機罩板厚度參考值。由于鋁合金和鋼材性能的不同，需要依據(jù)發(fā)動機罩的相關力學性能確定鋁合金板材的厚度，本文通過發(fā)動機罩強度和剛度性能要求計算鋁合金材料參考厚度。

等彎曲剛度：

等扭轉(zhuǎn)剛度：

等強度分析：

式中，鋁、鋼分別代表兩種材料的厚度；鋁、鋼分別代表兩種材料的彈性模量；鋁、鋼分別代表兩種材料的剪切模量；鋁、鋼分別代表兩種材料的屈服強度。

綜上分析，在保證材料替換前后發(fā)動機罩的強度和剛度性能相同的情況下，鋁制罩板厚度為鋼制罩板的1.45倍，因此發(fā)動機罩內(nèi)外板鋼板料厚度分別為0.6 mm、0.7 mm，對應鋁制罩板厚度應為1.02 mm、0.87 mm。

3 發(fā)動機罩多目標優(yōu)化

3.1 優(yōu)化流程及方法

基于以上的理論分析，確定了鋁合金板厚的參考值。為了得到輕量化最優(yōu)板厚組合，現(xiàn)選擇所有的板厚作為設計變量，以發(fā)動機罩剛強度及模態(tài)性能為約束，且以發(fā)動機罩質(zhì)量最小及行人頭部傷害HIC平均值最小為優(yōu)化目標。在Isight軟件中進行多目標優(yōu)化分析，優(yōu)化算法采用NSGA-Ⅱ，優(yōu)化模型圖4所示。

圖4 多目標優(yōu)化流程圖

3.2 優(yōu)化結(jié)果分析

通過設定NSGA-Ⅱ個體總數(shù)為20，交叉率0.9，并經(jīng)過241次遺傳算法迭代優(yōu)化后得到Pareto最優(yōu)解。優(yōu)化后鋁合金內(nèi)外板的厚度分別為1.0 mm、1.2 mm。

通過表6的優(yōu)化前后發(fā)動機性能對比可知，優(yōu)化后發(fā)罩的質(zhì)量為10.07 kg，相較于原發(fā)罩質(zhì)量減輕了39.85%，同時一階模態(tài)性能也有了大幅的提升，其他的性能也都符合發(fā)動機罩性能要求，并伴有小幅度提升。因此，從總體看來，優(yōu)化后的發(fā)動機罩達到了較好的輕量化效果。

表6 優(yōu)化前后發(fā)動機罩性能對比

發(fā)罩性能指標優(yōu)化前優(yōu)化后優(yōu)化百分比 彎曲剛度103.41 N/mm105.52 N/mm2.04% 扭轉(zhuǎn)剛度105.88 Nm/°109.34 Nm/°3.26% 一階模態(tài)頻率18.71 Hz23.99 Hz28.22% 發(fā)罩質(zhì)量16.74 kg10.07 kg?39.85% HIC平均值896843?6%

4 結(jié)論

通過分析原發(fā)動機罩的剛強度模態(tài)以及行人保護性能，將發(fā)動機罩內(nèi)外板材料更換為輕質(zhì)的鋁合金，并采用多目標優(yōu)化的方法，以發(fā)罩各零件厚度為設計變量，以發(fā)動機罩的剛強度模態(tài)等性能為約束，優(yōu)化后發(fā)動機罩各項性能都滿足發(fā)罩性能要求，其中一階模態(tài)性能得到了大幅的提升，發(fā)罩總成質(zhì)量降低了39.85%，使得發(fā)動機罩得到了較好的輕量化效果。

[1] 謝晨.車身結(jié)構隱式參數(shù)化建模及其在輕量化設計中的應用研究[D].長春:吉林大學,2014.

[2] 吳錦妍,史國宏,章斯亮.基于頭碰與結(jié)構性能的發(fā)動機罩正向優(yōu) 化設計[J].上海汽車,2019(05):10-16.

[3] 曾小敏.基于行人頭部保護和剛度要求的發(fā)動機罩內(nèi)板優(yōu)化設計[D].上海:上海交通大學,2014.

[4] 陳立娜.基于行人頭部保護的汽車發(fā)動機罩輕量化設計方法研究[D].長沙:湖南大學,2013.

[5] 范體強,王鋒,金慶生.鋁合金發(fā)動機罩蓋內(nèi)板結(jié)構優(yōu)化設計研究[J].客車技術與研究,2014,36(04):10-13.

[6] 張屹林,王洪民,王海濤,等.汽車輕量化與鋁合金[J].內(nèi)燃機配件, 2004(05):37-40.

Lightweight Design of Automobile Engine Hood

DUAN Jincheng

( Key Laboratory of the Ministry of Education of Advanced Manufacturing Technology of Automobile Parts,Chongqing University of Technology, Chongqing 400054 )

The paper is based on replacing lightweight material (aluminum alloy) and combined with multi-objective optimization. The torsional stiffness, bending stiffness, strength, mode and pedestrian protection performance are analyzed. With stiffness strength and modal performance as the constraint, pedestrian protection performance and hood quality as the goal, a multi-objective optimization process is built in Isight software, and the optimal solution is obtained through iterative optimization of the NSGA-Ⅱalgorithm. The results show that compared with the original hood, the optimized hood was slightly improved with pedestrian protection performance, and the quality was reduced by 39.85%, which achieved a good lightweight effect. The method can provide some reference for lightweight design of engine hood.

Engine hood; Lightweight; Aluminium alloy; Multi objective optimization; Pedestrian protection

A

1671-7988(2021)22-68-04

U463.8

A

1671-7988(2021)22-68-04

CLC NO.: U463.8

段錦程，就讀于重慶理工大學，研究方向：汽車碰撞安全。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.022.017