主動進氣格柵結(jié)構響應研究

摘要：主動進氣格柵作為汽車重要零件，其結(jié)構響應特性是汽車設計環(huán)節(jié)必須考慮的。以全開結(jié)構和全閉結(jié)構這兩種典型格柵進氣結(jié)構為目標，通過有限元方法對其進行力學分析，研究方法及結(jié)論可為工程設計提供一定的幫助。

關鍵詞：主動進氣格柵;結(jié)構響應;力學分析

中圖分類號：U461 收稿日期：2022-08-10

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2022.09.009

目前，人們對汽車性能和車身形狀要求逐漸提高，汽車的空氣動力性能和引擎艙內(nèi)的散熱性能方面的研究，吸引了汽車設計師和開發(fā)者的關注。殷杰等[1]研究開發(fā)了主動進氣格柵的主要技術，通過理論分析和仿真分析，研究了AGS系統(tǒng)的開啟和關閉狀態(tài)。陳佳萍等[2]通過收集風洞試驗數(shù)據(jù)，利用仿真模型分析、檢查主動格柵及其導流裝置的結(jié)構設計，并闡明主動格柵對風阻的影響，檢查車輛的冷卻性能?？椎掠頪3]對混合動力汽車的特性研究中采用了動態(tài)網(wǎng)格技術與滑移交界面技術，分析了主動進氣格柵的兩個開閉狀態(tài)對超車過程和會車過程中的空氣升力和側(cè)向力的影響。繆炳榮[4]在對機車結(jié)構疲勞仿真研究中，對車體的結(jié)構進行模態(tài)分析，通過分析結(jié)果得到主模態(tài)以及相應的振型。

1 有限元法的基本思想及理論基礎

1.1 有限元法的基本思想

處理物理、工程、數(shù)學問題使用最廣泛的數(shù)值方法是有限元法。有限元法的基本思想是將建立好的模型劃分為“有限”單元，對這些單元進行單獨分析，以變分原理為工具，把各單元組合成一個整體結(jié)構，對整個結(jié)構形成剛性方程。有限元法求解結(jié)構內(nèi)力和位移的基本程序可以通過計算機求解線性方程組來實現(xiàn)。有限元求解法的基本環(huán)節(jié)除了特定的公式推算與計算不一樣之外，對于各種物理性質(zhì)和數(shù)學模型上全部是一樣的。

解決有限元問題的通常環(huán)節(jié)如下：a.建立問題和計算的域定義;b.計算域離散;c.狀態(tài)變量的確定與控制方法;d.單元推理導出;e.組裝求解;f.同時解方程式和解釋結(jié)果。也就是說，有限元分析一般分為前處理、求解計算、后處理三個時期。前處理涵蓋創(chuàng)建有限元模型、完整的網(wǎng)絡分割;后處理是分析結(jié)果的收集和處理。用戶可以輕松處理和提取信息，輸出計算結(jié)果。

1.2 有限元法的理論基礎

有限元法是解決連續(xù)介質(zhì)問題相當普遍的辦法，它將形狀繁瑣的對象抽象成幾個形狀淺易的對象的離散集合體，把連續(xù)對象拆分為離散單元的過程叫做離散化，由離散化得到的單元格被稱為網(wǎng)格。對于簡單的單元，可以通過分析已知與未知的量來獲得一系列平衡方程式。將這些方程式組合起來就成了連續(xù)方程式，用數(shù)值解析法解出這個方程式，然后就能找出要求未知量的解。

2 計算模型及設置

2.1 計算模型

主動進氣格柵結(jié)構近似為長方體結(jié)構，長方體長度為496 mm，寬度為380 mm，高度為51 mm，其中格柵壁面厚度為10 mm。根據(jù)均勻分布原理合理布置格柵數(shù)量，對于全開模型而言，格柵厚度為8 mm，格柵與格柵間距為30 mm，單個格柵長度為476 mm，寬度為30 mm;對于全閉模型而言前后挖槽厚度均為10.5 mm，具體模型如圖1所示。

2.2 網(wǎng)格劃分及邊界條件設置

采用ANSYS WORKBECH17.0軟件進行結(jié)構力學分析計算。采取結(jié)構化網(wǎng)格進行分析，其中全開結(jié)構網(wǎng)格單元數(shù)量為23 062個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為131 041個;全閉結(jié)構網(wǎng)格單元數(shù)量為6 293個，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)量為265 492個。圖1所示為進氣格柵結(jié)構固定約束加載方式，全開結(jié)構和全閉結(jié)構兩種進氣格柵的左右兩個端面設置為固定約束面。進氣格柵結(jié)構的材料為ABS，其密度為1 020 kg/m3，彈性模量為200 MPa，泊松比為0.394，材料的屈服強度大小為50 MPa。

3 結(jié)構響應分析結(jié)果

圖2所示為全開和全閉進氣格柵結(jié)構的氣動載荷加載具體情況。計算加載的氣動載荷采用恒定壓力，壓力大小為2 000 Pa。根據(jù)進氣格柵結(jié)構的安裝方位，取格柵與空氣接觸面作為載荷加載面，計算全開結(jié)構和全閉結(jié)構的靜力學結(jié)果。其他參數(shù)均采用軟件默認值設置。

圖3所示為全開結(jié)構的變形和應力計算結(jié)果，由圖可以看出：全開結(jié)構的最大變形量發(fā)生在進氣格柵下方第一根格柵中部位置，最大變形量約為0.66 mm;最大應力發(fā)生在進氣格柵結(jié)構由下向上第六根格柵左側(cè)位置，最大應力大小約0.27 MPa，該數(shù)值遠小于材料的屈服強度極限，表面結(jié)構強度滿足要求。

圖4所示為全閉結(jié)構的變形和應力計算結(jié)果，由圖4可以看出：全閉結(jié)構的最大變形量發(fā)生在進氣格柵下方中部位置，最大變形量約為0.53 mm;最大應力發(fā)生在進氣格柵結(jié)構右下方區(qū)域，最大應力大小約為0.35 MPa，該數(shù)值遠小于材料的屈服強度極限，表面結(jié)構強度滿足要求。由此可見，進氣格柵結(jié)構選用ABS材料，其變形和應力數(shù)值較小，能夠滿足使用要求。

4 結(jié)語

針對全閉和全開兩種不同的進氣格柵結(jié)構，本文主要采用有限元分析的方法計算進氣格柵結(jié)構的靜力學結(jié)果，結(jié)論如下：

a.全開結(jié)構下最大變形量發(fā)生位置在第一根格柵中部，最大應力出現(xiàn)位置為由下往上第六根格柵左側(cè)。

b.全閉結(jié)構下最大變形量發(fā)生位置在進氣格柵下方中部，最大應力出現(xiàn)位置在進氣格柵右下方。

c.進氣格柵結(jié)構選用ABS材料，結(jié)構響應分析得到其變形和應力數(shù)值較小。

參考文獻：

[1]殷杰.長安C201轎車主動進氣格柵關鍵技術研究[D].重慶：重慶大學，2015.

[2]陳佳萍，賈青，楊志剛.主動格柵位置及其導流板對氣動阻力和冷卻性能的影響[C].//2018中國汽車工程學會汽車空氣動力學分會學術年會論文集，2018：6-15.

[3]孔德宇.主動進氣格柵對混合動力汽車動力特性的影響[D].濟南：山東大學，2019.

[4]繆炳榮.基于多體動力學和有限元法的機車車體結(jié)構疲勞仿真研究[D].成都：西南交通大學，2007.

作者簡介：

張林帆，男，1996年生，工程碩士在讀，研究方向為車輛動力學與控制。

通訊作者：

方存光，男，1972年生，副教授，研究方向為汽車電子、標定&匹配等。