CAE在汽車引擎設計優(yōu)化的有限元分析與應用

 一、背景

 汽車引擎蓋結構主要由內板和外板兩部分組成，起到發(fā)動機保護以及空氣導流的作用。通常引擎蓋考察的幾個主要性能為整體及局部剛度、模態(tài)、外覆蓋件抗凹性能以及碰撞中的行人保護。

 對于模態(tài)、剛度、抗凹性能的改進相對比較簡單，通過形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等多種手段都可以實現(xiàn)相應的改進，但是基于行人保護的優(yōu)化設計比較復雜，通常的做法是根據經驗手動改進模型或者借助HyperStudy等優(yōu)化工具，運用集成優(yōu)化的方法將各種性能納入優(yōu)化流程來進行改進，但是這種方法受限于計算能力或響應面的精度等因素，優(yōu)化計算時間和后處理時間比較長。

 在這里，cae應用方案專家——有限元科技為大家提供一種借助于靈敏度分析快速實現(xiàn)提升行人保護性能的改進思路，可以在一定程度上適用于項目開發(fā)和改進。

 二、案例概述

 為了能比較清楚地介紹上述方法，下面將通過一個簡單案例加以描述。

 1、當前狀態(tài)描述

 對下圖1引擎蓋而言，在行人保護的頭碰分析中存在一定風險，影響碰撞得分?？紤]對該結構的內板進行改進。其頭碰分析的結果如圖2所示。圖中顏色表征了傷害值，從高到低分別為紅色、橙色、黃色、綠色。圖2中引擎蓋的中間部位基本為黃色及不同程度的橙色，說明傷害值比較大，需要大幅降低，并相應的增加綠色區(qū)域的比例。

圖1發(fā)動機艙蓋內板結構

圖2頭碰結果

 為了能改善頭碰性能，引擎蓋內板的很多區(qū)域需要進行減弱，內板減弱的同時亦需要兼顧模態(tài)剛度等性能指標。

 2、前處理

 如圖3示例，將引擎蓋的內板劃分為若干區(qū)域，以其厚度或彈性模量的變化來表征結構的增強或削弱，以此靈敏度來判斷內板各部分對整體模態(tài)剛度等性能的貢獻。所考察的響應指標為模態(tài)、整體及局部的各種剛度、重量。根據上述劃分，本文選取12個區(qū)域鈑金的厚度作為變量，主要包括引擎蓋的四周主梁鈑金以及內部的加強梁鈑金，確保左右對應部位的結構能協(xié)同變化。

 3、后處理

圖3內板分區(qū)域圖例

圖4靈敏度分析結果

 采用田口法進行DOE分析，結果如圖4所示。由結果可以判斷出每個部分對所考察的剛度、模態(tài)的影響程度。絕對值越大，表明變量與考察性能的相關性就強，而正負號表征的上述相關性為正相關還是負相關。從分析結果看，input7到input11主要為為引擎蓋內各加強梁，相關性數(shù)值比較小，說明這些加強梁鈑金厚度對于所關注的整體、局部剛度以及模態(tài)的影響非常小，可以根據行人保護頭碰的性能需求來對相關梁的結構進行調整而不影響其它關注的性能指標。同時也比較容易通過其它相對敏感位置的增強來彌補因內部橫梁減弱帶來的性能降低。

 三、結果驗證

 1、頭碰分析驗證

 根據上文分析的結果以及與相關設計人員、分析人員的交流，通過HyperWorks中的morph功能，在有限元模型的基礎上選擇相關加強梁進行網格變形和調整，以改變梁的截面寬度、高度、改變橫梁位置、開孔等為主要方向，從而快速實現(xiàn)對初版新模型的驗證，見圖5。從圖6的結果中可知，在新模型的頭碰分析中，由于對內板結構進行了針對性的調整，頭碰得分得到了有效改善。

圖5改進后的新模型

圖6新模型的頭碰分析驗證

 2、模態(tài)剛度驗證

 對新模型的模態(tài)剛度進行校核，結果顯示，由于結構改變帶來的模態(tài)剛度性能降低較小，均在滿足性能要求的范圍內。結果見圖7。

 四、結論

圖7模態(tài)剛度驗證結果

 本文中僅以簡單案例介紹了一種快速通過靈敏度分析來改善引擎蓋行人保護中頭碰性能的思路，其精度與設置詳細形狀變量開展集成優(yōu)化的方法不具有可比性，相對于通過詳細優(yōu)化尋找最優(yōu)解的方法，本文中的思路是通過優(yōu)化手段來提供改進方向，快速高效地找到工程中的可行解，滿足特定項目和工程需求。

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