基于Abaqus的汽车发动机罩应力响应分析
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摘要： 利用Abaqus建立某汽车发动机罩的详细模型，对发动机罩的关闭过程进行显式动力学仿真，研究发动机罩大力关闭时的应力响应.通过试验测试发动机罩局部的应变，并与计算结果对比分析.结果表明该方法可准确预测发动机罩关闭时的瞬态应力响应，指导发动机罩的强度耐久设计.
关键词： 发动机罩； 应力响应； 动力学仿真； 强度； 耐久性； Abaqus
中图分类号： U463.833；TB115.1文献标志码： B
0引言
发动机罩（以下简称发罩）是汽车的重要组成部分，也是最重要的外覆盖件之一.一方面，其造型影响汽车的整体视觉效果；另一方面，其具有隔热、隔音以及保护发动机的作用.发罩的结构设计除需要考虑外板的造型效果，还需要进行强度耐久方面的性能验证，其中，发罩的开闭耐久性能是最重要的考察项目之一.
发罩的开闭是汽车在使用过程中出现频次比较高的操作，设计时必须保证发罩在经过多次开闭后钣金无开裂、锁系统锁止正常以及周围偏移量不致干涉等品质.[1]目前，发罩开闭性能的评估主要通过开闭耐久试验实现，耗时长、成本高.采用CAE方法对发罩关闭过程进行模拟仿真，能大大缩短开发周期，并节约试验成本，是发罩开发过程中必不可少的技术手段之一.
目前，发罩的开闭仿真普遍采用惯性释放的方法.[2]惯性释放法实质是一种静态分析方法，而发罩关闭的过程是一种瞬态过程，采用惯性释放法不能准确模拟用户关闭发罩的过程，因此必须采用瞬态分析方法.[3]
本文利用Abaqus，建立某A级轿车的锁系统柔性多体动力学模型和发罩有限元模型，精确模拟缓冲块和胶条等缓冲元件，采用动力学分析方法准确模拟发罩关闭过程的瞬态应力响应，然后与试验结果进行对比，验证该分析方法可以准确预测发罩关闭过程的应力响应.
1有限元模型
1.1缓冲元件模型
发罩上的缓冲元件包括胶条、缓冲块、气弹簧和扭转弹簧等，本文主要考虑缓冲块和胶条.缓冲块是圆柱形结构，直径为10 mm，采用实体单元模拟.材料的弹性模量为350 MPa，泊松比为0.39，其有限元模型见图1.
图 1缓冲块有限元模型
在理想状态下，胶条模拟采用精细网格建立胶条的实体模型，并采用超弹性材料模拟.[4]一方面，超弹性材料在显式动力学分析中稳定性不好，也不易收敛，由于网格精细将导致分析时间超长；另一方面，为保证分析的准确性，需要对材料的各项参数进行大量的标定和研究，将耗费大量的成本.因此，需要采取一种更经济、实用的方法进行模拟.
本文通过定义胶条与钣金接触过程中接触面的接触属性模拟胶条的性能.接触对的定义方式为：前机舱与胶条接触的钣金位置单元面定义为主面，发罩上与胶条贴合部分的单元面定义为从面.胶条接触属性的获取方法参考文献[5].
1.2锁系统模型
锁系统的模拟方法和锁止方式直接影响发罩关闭后的应力响应，因此准确模拟锁系统是分析发罩应力响应的关键.[67]
发罩锁系统有限元模型见图2，其中，钣金件采用SHELL单元模拟，锁销、锁扣等比较厚的结构采用SOLID单元模拟，扭转弹簧等弹性元件采用CONN3D2单元模拟.该锁系统模型是多柔体系统模型，能够准确模拟发罩锁的锁止过程，允许锁扣在锁销间隙游动，克服传统连接单元瞬间锁止导致局部瞬态应力过大的问题.
图 2发罩锁系统有限元模型
1.3发罩模型
发罩由发罩内板、外板、锁扣加强板、外板加强板、铰链加强板和隔音棉等组成.其中，隔音棉用集中质量模拟，用分布耦合单元连接于内板钣金.[7]发罩用铰链连接于白车身，为分析准确，截取前半个车身模型，模型中所有SHELL单元都采用减缩积分单元，总计单元251 196个，节点274 240个，分析模型见图3.
图 3发罩有限元模型（带部分车身）
2动力学分析
发罩的关闭过程经历3个阶段.第一阶段，发罩绕铰链轴自由旋转，直到接近关闭位置时与胶条接触；第二阶段，发罩与胶条部分接触，同时与缓冲块接触；第三阶段，发罩与胶条及缓冲块完全接触并产生挤压，同时锁系统锁止.
整个关闭过程中，第三阶段包含发罩内板及加强板应力较大的几个应力循环[8]，是分析过程中最重要的阶段之一，因此进行动力学分析时只研究发罩关闭过程的第三阶段即可.
分析的边界条件和工况设置如下：约束车身端所有节点六向自由度，发罩的开启角度为3°；给整个发罩施加绕铰链轴的初始角速度，使发罩锁扣处的线速度为1.5 m/s；同时考虑发罩总成的质量，给发罩系统施加重力场[910].采用Abaqus/Explicit分析模块进行计算，总时长设置为0.1 s.
计算完成后，提取结果文件，检查锁的锁止状态、能量变化以及伪应变能与内能的比例关系.在工程应用中，动态分析过程要求总能量变化不超过5%，伪应变能与内能的比值小于10%.[11]分析结束时锁止后的锁系统状态示意见图4，可知，整个锁系统正常锁死.模型能量变化历程见图5，系统总能量变化幅度为0.5%，伪应变能与内能的比值约为5.37%，计算结果合理、可靠.
图 4锁止的锁系统图 5模型能量变化历程
模型合理性检查通过后，查看结构的应力响应.发罩内板在锁安装孔附近、前缓冲块安装孔、后缓冲块缓冲平面以及中部折弯开槽附近出现应力峰值，应力大小分别为159.80，161.63，161.60和161.63 MPa，见表1.
由表1以及图5和6可知，发罩关闭时前缓冲块、后缓冲块和胶条先接触缓冲，然后锁系统锁死，因此，在前缓冲块和锁系统附近先出现应力峰值.锁系统锁止后，柔性锁系统的间隙和柔度允许锁扣游动，同时发罩中部在后缓冲块作用下反复回弹与压紧，使后缓冲块和中部折弯开槽局部保持一定的应力振荡，之后应力慢慢衰减[12]，与实际发罩关闭的应力响应吻合得非常好.
发罩内板所用钣金材料屈服极限为161.6 MPa，强度极限为343 MPa，具有较好的延展性，材料参数见表2，可知，该钣金材料延展性较好，疲劳耐久极限高于屈服极限，发罩内板应力水平在疲劳极限以内，因此不会发生疲劳破坏.
表 2发罩内板材料参数表参数数值弹性模量/MPa210 000泊松比0.3断后伸长率/%40参数数值屈服极限/MPa161.6拉伸极限/MPa343疲劳极限/MPa187
为进一步验证分析结果，在发罩开闭耐久试验开始前，测试发罩内板局部的应变，以获取发罩内板的应力响应.由于发罩内板的造型问题，无法准确按仿真分析的应力最大位置贴应变片，选择在锁扣安装孔附近、发罩中部折弯开槽附近贴三向应变花，见图8.
图 8应变测试试验
测得局部应变后，将测试应变与仿真模型中对应位置的应变进行对比.锁扣附近应变对比见图9，中部开槽附近应变对比见图10.由图9和10，可知，仿真结果与试验结果应变峰值吻合得较好，且衰减程度相似.图 9锁扣附近应变对比
图 10中部开槽附近应变对比3结论
（1）采用软接触的方法定义胶条的接触属性，能避免复杂胶条模型计算代价过大和收敛性的问题，且能有效模拟发罩关闭时胶条的力学属性.
（2）采用柔性锁系统模型，能真实、有效地模拟锁的锁止行为，使能量的转化更平稳，克服发罩关闭瞬间计算应力过大的难题.
（3）通过对发罩结构的详细建模，准确模拟发罩关闭后的应力响应，获得较准确的应力结果，且计算局部应变与试验结果吻合，验证利用Abaqus研究发罩关闭的应力响应具有很高的准确性和工程实用性.参考文献：
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