案例 | 某汽车发动机舱盖猛然关闭的CAE仿真

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导读：发动机舱盖猛然关闭是经常会出现的一种工况。这种工况出现后对发动机舱盖及其关联部件的强度疲劳都会产生影响，本文对发动机舱盖猛然关闭进行仿真分析，对发动机舱盖关闭后各部件的应力状态进行分析，对发动机舱盖的锁扣机构进行安全分析，获得其锁扣机构的安全系数；同时检测发动机舱盖猛然关闭对其他部件是否存在碰撞接触等行为，为发动机舱盖的设计提出参考依据。

一、概述

发动机舱一般是装有发动机、空气滤清器、制动液罐、蓄电池、保险丝盒、转向油罐、冷却液储液罐、雨刮器液罐等部件，因此发动机舱盖会经常被打开用以检修发动机，添加机油、玻璃水及冷却液等。发动机舱盖被打开后猛然关闭会影响到发动机舱盖锁扣机构的安全性，也会对发动机舱盖的其他部件的应力产生影响。

本文利用Ls-Dyna软件是对发动机舱盖猛然关闭的过程进行模拟，对发动机舱盖关闭后各部件的应力状态进行分析，对发动机舱盖的锁扣机构进行安全分析，获得其锁扣机构的安全系数；同时检测发动机舱盖猛然关闭对其他部件是否存在碰撞接触等行为，为发动机舱盖的设计提出参考依据。

二、有限元的建立

1、网格处理

为了减小计算量，同时避免出现将刚体约束施加在发动机舱盖安装位置，发动机舱盖猛然关闭仿真分析模型包含了白车身的前部模型，具体可参见图1所示。

图2-1 发动机舱盖猛然关闭仿真分析模型

白车身和发动机舱盖大多为钣金冲压件，对其几何模型抽取中面，采用壳单元进行网格划分。本文利用Hypermesh进行网格划分，定义网格尺寸为8mm，网格质量检查标准见表1所示。

表2-1 单元质量检查标准

整个发动机舱盖猛然关闭的仿真计算模型共有23.9万个单元，24.7万个节点。建立的发动机舱盖有限元模型如图2所示。其中车身和发动机舱盖上焊点都采用ACM单元进行模拟，发动机舱盖内板和外板之间的胶粘采用Adhesive单元类型模拟，见图3所示，螺栓连接采用刚性单元模拟。

图2-2 发动机舱盖猛然关闭有限元模型

图2-3 胶粘单元模拟示意图

在发动机舱盖铰链处建立转动副（Revolute joint），表示发动机舱盖可以绕着转动副的中心轴线进行旋转，具体可参见图4所示。

图2-4 发动机舱盖转动副示意图

2、材料属性

白车身和发动机舱盖总成的材料和厚度与车身和发动机舱盖总成明细表相一致。本次计算要考虑材料的非线性，即除了要输入材料的弹性模量、泊松比、密度等参数外，还要输入材料的应力应变曲线。

根根据明细表，本次白车身和发动机舱盖总成的材料主要有如下几种，其材料参数具体可参见表2-2所示。

表2-2 材料的参数统计

所用材料的应力应变曲线如图2-5所示。

图2-5 材料的应力应变曲线

材料类型卡片选择MAT24进行参数设置，如图2-6所示。

图2-6 MAT24材料参数设置

三、加载工况及边界条件

加载：发动机舱盖绕着铰链中心轴向上旋转一个很小的角度1.5°，用以表示发动机舱盖和锁扣之间处于非接触状态；施加一个初始角速度2rad/s，用以模拟发动机舱盖落下时的角速度，具体可参见图3-1所示，同时考虑发动机的重力作用。设置计算终止时间为60ms。

图3-1 发动机舱盖施加初始角速度

边界条件：在车身的截断面处施加全约束，即约束车身截断面处节点的全部自由度123456，具体可参见图3-2所示。

图 3‑2 发动机舱盖边界条件施加

四、仿真结果分析

1、强度分析结果

通过对发动机舱盖在猛然关闭工况下仿真分析，各部件的最大应力如图4-1~图4-8所示。从图中可以看出：发动机舱盖各部件的最大应力都小于其材料的屈服强度，其屈服安全系数如表4-1所示，最小的安全系数为2.19，发生在发动机舱盖内板上，因此发动机舱盖内板各部件的强度满足设计要求。

图 4‑1 发动机舱盖外板最大应力云图

图 4‑2 发动机舱盖内板最大应力云图

图 4‑3 发动机舱盖加强板最大应力云图

图 4‑4 发动机舱盖锁钩安装板最大应力云图

图 4‑5 发动机舱盖右铰链总成最大应力云图

图 4‑6 发动机舱盖左铰链总成最大应力云图

图 4‑7 发动机舱盖右铰链加强板最大应力云图

图 4‑8 发动机舱盖左铰链加强板最大应力云图

表 4‑1 发动机舱盖各部件应力及安全系数统计

2、位移分析结果

发动机舱盖在猛然关闭时，很容易和其他部件出现碰撞、干涉等行为，故选择了6个监控点作为判断发动机舱盖和车身其他部位是否存在碰撞和干涉等行为，6个监控点的部位见图4-9所示。由于发动机舱盖各部件呈左右对称分布，本文只取P1、P2和P3点的位移进行分析。P1、P2和P3监控点的位移间距时间历程曲线如图4-10~图4-12所示。