基于機(jī)艙罩開裂問題的仿真分析與研究

汽車機(jī)艙罩在整車的布置中位于車身的前段，其主要作用包括對機(jī)艙內(nèi)各零部件進(jìn)行防護(hù)、隔離發(fā)動機(jī)噪聲和行人保護(hù)等，同時為車輛的維修與保養(yǎng)提供便利。機(jī)艙罩通常由一個外板及一個附加有加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)的內(nèi)板組成，在進(jìn)行機(jī)艙罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計時，一般需要遵循以下幾個要求：為了使機(jī)艙罩的整體剛度提升，一般都需要在內(nèi)板上壓制凸筋，防止其由于自身剛度不足而容易發(fā)生變形，進(jìn)而影響整車品質(zhì);從行人保護(hù)方面考慮，機(jī)艙罩前部強(qiáng)度不能太強(qiáng);機(jī)艙罩的造型與兩側(cè)翼子板平齊，以達(dá)到增強(qiáng)車輛造型整體感的目的，提高顧客對其的認(rèn)可及滿意度。

由上述設(shè)計要求可知，機(jī)艙罩設(shè)計的成功與否對整車的設(shè)計與開發(fā)起著至關(guān)重要的作用。近年來，隨著計算機(jī)技術(shù)與CAE仿真行業(yè)的不斷發(fā)展進(jìn)步，大量有限元仿真軟件紛紛推陳出新，Nastran、Abaqus、Hyperworks和nCode等有限元分析軟件在航空航天、汽車、機(jī)械和風(fēng)電等行業(yè)取得了長足的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于零部件結(jié)構(gòu)的前期設(shè)計過程中。有限元方法在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用也已經(jīng)展現(xiàn)出了突出的優(yōu)勢：它不需要先制造樣車，可以在概念設(shè)計階段實現(xiàn)設(shè)計與分析并行，是一種高效、低耗的分析方法。大量實踐已證明，利用有限元法的靜動態(tài)分析對整車結(jié)構(gòu)的承載特性和振動特性進(jìn)行評價是極為有效的，也可以使工程師在設(shè)計前期對車身的應(yīng)力分布及應(yīng)變分布狀態(tài)有全面的了解，指導(dǎo)各零部件總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計過程。

本文基于有限元法對某車型機(jī)艙罩開閉耐久試驗開裂問題進(jìn)行仿真分析與探討，提出了優(yōu)化修改方案，為問題的整改及該車型機(jī)艙罩的設(shè)計與開發(fā)提供了有價值的參考。

問題及開裂原因分析

在機(jī)艙罩總成開閉耐久試驗過程中，機(jī)艙罩總成內(nèi)板在開閉耐久試驗后發(fā)生左右對稱的、共4處(每側(cè)2處)焊點開裂現(xiàn)象，開裂的具體形式為沿著點焊位置周圈鈑金被撕裂，如圖1所示。

圖1 焊點開裂

機(jī)艙罩總成是一個較為復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，總體來說，其左右兩側(cè)的結(jié)構(gòu)特征是基本對稱的，該問題所表現(xiàn)出的兩側(cè)相同位置、相同數(shù)量的焊點出現(xiàn)開裂也很好地體現(xiàn)了這一點。但由于開裂焊點的位置均分布于鉸鏈加強(qiáng)板附近，處于機(jī)艙罩總成與車身連接的特殊位置，故在原因分析時，除了要考慮焊接質(zhì)量等基礎(chǔ)性因素，還應(yīng)進(jìn)一步從結(jié)構(gòu)形式上來進(jìn)行考察。經(jīng)初步分析，造成該開裂問題出現(xiàn)的可能原因有3個：機(jī)艙罩緩沖塊與內(nèi)板之間間隙過大，起不到支撐與緩沖作用，從而造成焊點開裂;點焊時過燒，焊接質(zhì)量差;開裂位置處于載荷的傳遞路徑上，自身結(jié)構(gòu)存在不足。

經(jīng)溝通排查與實車檢驗，緩沖塊與內(nèi)板間隙適宜，不存在緩沖失效現(xiàn)象，且未發(fā)現(xiàn)焊接質(zhì)量差的問題。最終，該問題歸結(jié)為自身結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足而誘發(fā)焊點失效現(xiàn)象。同時，由于開裂的形式為沿著焊點周圈撕裂，我們經(jīng)綜合考慮，從焊點疲勞失效的角度進(jìn)行分析和研究。

有限元仿真分析

1.有限元模型的建立

以Hypermesh軟件為工具，搭建該機(jī)艙罩總成的有限元模型，鈑金件采用殼單元模擬并賦予其對應(yīng)的厚度值;機(jī)艙罩內(nèi)外飾質(zhì)量均布在各個安裝部位的節(jié)點上。搭建完成的機(jī)艙罩總成有限元模型如圖2所示。

圖2 機(jī)艙罩總成有限元模型

2.工況加載與邊界條件

(1)工況加載

利用能量守恒定律計算開閉耐久試驗中機(jī)艙罩與緩沖塊撞擊瞬間的角速度，并以此角速度為仿真分析的載荷輸入。撞擊瞬間角速度的計算方法如公式(1)和(2)所示。

其中，h為開閉耐久試驗時機(jī)艙罩最前端在開啟和關(guān)閉兩個位置時的高度差;L為機(jī)艙罩最前端到鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸軸線的最大距離。

(2)邊界條件

約束鉸鏈與車身安裝點6個方向的自由度，約束所有緩沖塊底面節(jié)點3個方向的平動自由度。

3.計算與結(jié)果

(1)模型計算

利用Abaqus軟件中的動態(tài)顯式求解模塊進(jìn)行計算，設(shè)置時長。實時查看模型整體的動能曲線，如圖3所示。進(jìn)行計算，并以此ODB結(jié)果文件作為焊點疲勞分析時的有限元結(jié)果輸入。

圖3  動能曲線

在nCode軟件的DesignLife工作臺中搭建焊點疲勞分析流程(見圖4);設(shè)置材料屬性以及焊點S-N曲線;載荷屬性設(shè)置中選擇Time step作為焊點疲勞壽命計算的載荷輸入。

圖4  焊點疲勞分析流程

(2)焊點疲勞分析結(jié)果

焊點疲勞仿真分析結(jié)果如圖5所示：兩處開裂位置(同一側(cè))焊點壽命較其他位置的焊點壽命偏低，仿真結(jié)果與開裂問題較為符合，說明該位置結(jié)構(gòu)確實存在焊點撕裂的風(fēng)險，需要進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

圖5 開裂問題仿真復(fù)現(xiàn)

4.問題整改

綜合開裂問題復(fù)現(xiàn)分析的結(jié)果，認(rèn)為該開裂位置處于機(jī)艙罩關(guān)閉撞擊瞬間沖擊載荷經(jīng)由鉸鏈向車身傳遞的路徑上，而鉸鏈加強(qiáng)板與內(nèi)板之間僅由數(shù)個焊點進(jìn)行連接，傳力截面過窄，從而導(dǎo)致焊點周圈撕裂。以此為出發(fā)點，考慮從兩個方面進(jìn)行優(yōu)化：增加鉸鏈加強(qiáng)板料厚，從而起到加強(qiáng)作用;鉸鏈加強(qiáng)板與內(nèi)板間涂抹點焊結(jié)構(gòu)膠，以增大傳力面積，降低焊點撕裂風(fēng)險。

文中表匯總了“原開裂方案、增加料厚和涂抹點焊結(jié)構(gòu)膠”3種方案開裂位置焊點的仿真疲勞壽命。對比3種方案的計算結(jié)果可知：與原開裂方案相比較而言，增加鉸鏈加強(qiáng)板料厚對該區(qū)域強(qiáng)度有提升作用，焊點壽命略有提高;而涂抹點焊結(jié)構(gòu)膠方案則可以有效地擴(kuò)大載荷的傳遞面積，降低零部件鈑金對焊點的撕扯作用，焊點疲勞壽命有大幅的改善。另外，綜合成本和工藝方面的因素，增加料厚將導(dǎo)致車重增加，成本也相應(yīng)提高;而涂膠工藝操作簡單且成本低廉，故在鉸鏈加強(qiáng)板區(qū)域涂抹點焊結(jié)構(gòu)膠方案為最優(yōu)方案。

經(jīng)試驗驗證，按照涂抹點焊結(jié)構(gòu)膠方案重新制件，機(jī)艙罩總成開閉耐久試驗后無開裂復(fù)發(fā)，問題得以整改。

結(jié)語

通過焊點疲勞耐久仿真分析，機(jī)艙罩開裂位置焊點疲勞壽命較其他位置焊點壽命偏低，存在開裂風(fēng)險，問題得以較好地仿真復(fù)現(xiàn)。綜合3種方案的仿真分析結(jié)果，鉸鏈加強(qiáng)板區(qū)域涂抹點焊結(jié)構(gòu)膠為最優(yōu)方案，且后期開閉耐久試驗驗證無開裂復(fù)發(fā)，問題順利整改。本文基于實際開裂問題開展有限元仿真分析工作，找出了機(jī)艙罩焊點開裂的原因并支持問題整改，為機(jī)艙罩的設(shè)計與生產(chǎn)提供了思路與方法，進(jìn)一步體現(xiàn)了CAE仿真分析工作對解決實際工程問題的有效性和顯著的實踐指導(dǎo)意義。