第 1 章 緒論 

1.1 引言 
隨著國家綜合國力的迅速增強(qiáng)和人民經(jīng)濟(jì)水平的日益提高，汽車已經(jīng)由昂貴的奢侈品轉(zhuǎn)變成為千家萬戶的出行工具。在市場競爭和技術(shù)革新日益激烈的汽車行業(yè)中，企業(yè)若想有效地提高市場占有率和自身的競爭力來獲得產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)效益，必須同步提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平和制造工藝，縮短整車由設(shè)計(jì)到投入市場的研發(fā)周期。任何暴露在制造階段的設(shè)計(jì)缺陷，都將反饋到設(shè)計(jì)部門進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，甚至重新設(shè)計(jì)，這無疑會(huì)推遲新車型的推出時(shí)間，因此如何消除產(chǎn)品在研發(fā)階段的設(shè)計(jì)缺陷，已經(jīng)成為汽車企業(yè)持續(xù)的關(guān)注點(diǎn)[1]。 計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer Aided Engineering）是一門新興的輔助技術(shù)，計(jì)算機(jī)技術(shù)和數(shù)值分析理論的發(fā)展是 CAE 技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際的重要保證，有限元方法和數(shù)值分析方法是 CAE 技術(shù)的基礎(chǔ)[2]。計(jì)算機(jī)輔助工程與汽車設(shè)計(jì)的完美結(jié)合開創(chuàng)了汽車領(lǐng)域的一場技術(shù)革命，在設(shè)計(jì)過程初期引入 CAE 技術(shù)來分析指導(dǎo)，就能有效地避免因?yàn)樵O(shè)計(jì)后期發(fā)現(xiàn)問題時(shí)需要重新設(shè)計(jì)而引起的時(shí)間的浪費(fèi)和成本的提高。計(jì)算機(jī)輔助工程的應(yīng)用，使汽車設(shè)計(jì)人員能將主要精力集中在如何對產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高產(chǎn)品的品質(zhì)和質(zhì)量上，隨著計(jì)算機(jī)輔助工程在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)人員不僅能預(yù)見產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與性能的缺陷，而且在設(shè)計(jì)階段盡量完善整車的設(shè)計(jì)，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤出現(xiàn)在試制、生產(chǎn)等后續(xù)制造階段，避免了更大的經(jīng)濟(jì)損失。 CAE 技術(shù)無處不在地應(yīng)用在整車開發(fā)中的諸多方面，最初采用有限元方法進(jìn)行零件的強(qiáng)度校核，例如計(jì)算機(jī)械零件的應(yīng)力和應(yīng)變等，后來運(yùn)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法分析整車的平順性和操縱穩(wěn)定性，運(yùn)用 RADIOSS 模擬整車碰撞分析等，可以說有限元技術(shù)貫穿于整車開發(fā)中的各個(gè)環(huán)節(jié)[3]。 
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1.2 課題研究的背景及意義 
隨著中國汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，中國已經(jīng)具備了整車領(lǐng)域自主研發(fā)水平，但是與國外的先進(jìn)設(shè)計(jì)制造水平還有一定的差距[4]。這種差距主要體現(xiàn)在車身技術(shù)的開發(fā)，車身的開發(fā)在整個(gè)研發(fā)體系中占據(jù)主導(dǎo)位置，作為研發(fā)水平的重要衡量標(biāo)準(zhǔn)，車身研發(fā)周期、車身質(zhì)量、產(chǎn)品成本一直是各大汽車企業(yè)持續(xù)關(guān)注的目標(biāo)[5]。傳統(tǒng)車身研發(fā)模式下，車身工程師只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行試探性的設(shè)計(jì)工作，具有較大盲目性，引入 CAE 技術(shù)之后，車身工程師可以系統(tǒng)化分析車身的結(jié)構(gòu)，不僅可以提高了車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)質(zhì)量，而且還能縮短設(shè)計(jì)周期[6]。隨著 CAE 技術(shù)在汽車企業(yè)的應(yīng)用日趨成熟，因此在車身設(shè)計(jì)初期通過計(jì)算機(jī)輔助工程對車身性能進(jìn)行預(yù)測和評估，通過分析評估結(jié)果，對設(shè)計(jì)缺陷進(jìn)行優(yōu)化，就能增加了車身設(shè)計(jì)的安全可靠性，避免了設(shè)計(jì)缺陷暴露在生產(chǎn)階段造成更大的損失。 圖 1.1 表示在不同階段修改設(shè)計(jì)產(chǎn)品的成本，在產(chǎn)品的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，每次發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，所需要的成本大約是 3500 美元，而在測試階段，每次發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷并進(jìn)行修改的成本將是 35000 美元，如果問題暴露在生產(chǎn)階段，那么修改這一缺陷的成本將更高。 
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第 2 章 有限元方法基本理論 

2.1 引言 
有限元方法的應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展：由簡單的靜力學(xué)問題擴(kuò)展到動(dòng)力學(xué)問題；分析對象由彈性材料擴(kuò)展到彈塑性、粘塑性和復(fù)合材料；由線性問題擴(kuò)展到接觸非線性、幾何非線性、材料非線性等多重非線性問題；從確定性分析擴(kuò)展到隨機(jī)性分析；在工程分析中，已由校核分析擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)和智能計(jì)算[17]。伴隨著數(shù)值算法的完善和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，在解決復(fù)雜工程問題時(shí)，有限元技術(shù)已經(jīng)成為最有效的解決途徑。作為聯(lián)系技術(shù)和工程之間的紐帶，有限元技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)、機(jī)械工程、水利工程、生物醫(yī)學(xué)等幾乎所有的制造業(yè)均得到廣泛的應(yīng)用，有限元技術(shù)使各領(lǐng)域的設(shè)計(jì)制造水平發(fā)生質(zhì)的飛躍[18]。 
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2.2 有限元方法分析過程 
有限元方法是CAE技術(shù)的重要分析方法，有限元方法的核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化， 將連續(xù)的求解域離散成若干個(gè)在節(jié)點(diǎn)相互連接的單元，從而將一個(gè)連續(xù)的無限自由度的問題簡化成有限個(gè)自由度的求解問題，利用數(shù)值的近似方法模擬真實(shí)的物理系統(tǒng)（載荷工況或幾何工況），用每個(gè)單元所假設(shè)的位移函數(shù)來表示全局內(nèi)待求解的未知變量，通過對離散的各個(gè)單元進(jìn)行單元分析，最終得到結(jié)構(gòu)的整體分析[19]。線彈性問題是有限元分析的基礎(chǔ)，線彈性問題的有限元分析過程如下[20]：結(jié)構(gòu)離散化是有限元分析的基礎(chǔ)，離散化是指將連續(xù)的求解域劃分成有限個(gè)單元的組合，在單元體內(nèi)設(shè)置有限元分析節(jié)點(diǎn)，相鄰的單元體之間通過節(jié)點(diǎn)相互連接，離散化將分析結(jié)構(gòu)劃分成具有相關(guān)節(jié)點(diǎn)的等價(jià)模型。選取最接近于實(shí)際模型的有限元單元類型模擬真實(shí)結(jié)構(gòu)，在有限元中單元類型的選取不僅取決于受到載荷作用的分析模型，而且取決于分析的精度要求。 單元類型主要指有限元分析中所應(yīng)用的一維、二維、三維單元： （1）一維單元是最簡單的單元，一維單元通過連接節(jié)點(diǎn)處的線段表示，典型的一維單元有桿單元和梁單元組成； （2）二維單元稱為平面應(yīng)力狀態(tài)，二維單元的單元類型可以是三角形或者四邊形，二維單元應(yīng)用在較薄的平面模型中，例如車身翼子板、發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋、下地板等； （3）三維單元應(yīng)用在具有一定厚度的實(shí)體模型中，最普通的三維單元模型是四面體模型和六面體模型。 
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第 3 章 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型的建立 ...... 16 
3.1 HYPERMESH 前處理簡介 ........ 16 
3.2 建模關(guān)鍵問題處理 .... 17 
3.3 艙蓋結(jié)構(gòu)有限元模型建模過程 ........ 21 
3.4 本章小結(jié) .... 27 
第 4 章 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋靜剛度分析 .......... 28 
4.1 靜剛度基本理論 ........ 28 
4.2 靜剛度分析的加載過程 .... 29 
4.3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋靜剛度結(jié)果分析 .... 29 
4.4 本章小結(jié) .... 32 
第 5 章 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋過開啟分析 .......... 33 
5.1 過開啟分析的研究意義 .... 33 
5.2 過開啟分析的加載過程 .... 33 
5.3 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋過開啟結(jié)果分析 .... 34
5.4 本章小結(jié) .... 41 
 
第 6 章 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化 

6.1 優(yōu)化方案的選擇 

由靜剛度與過開啟分析結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋在分析過程中過開啟角度，等效塑性應(yīng)變以及Z 向靜剛度值不滿足設(shè)計(jì)要求，針對這一設(shè)計(jì)缺陷，經(jīng)過分析對此提出三種優(yōu)化方案作為參考： （1）更換艙蓋材料，使艙蓋的強(qiáng)度滿足要求，此方案的優(yōu)點(diǎn)在于不改變艙蓋的外形結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)人員無需對艙蓋結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)，但缺點(diǎn)是更換了高性能的材料之后勢必會(huì)造成整車成本的增加[39]，因此不考慮更換艙蓋材料的方案； （2）重新設(shè)計(jì)艙蓋的結(jié)構(gòu)，此方案根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行評估，，重新設(shè)計(jì)艙蓋結(jié)構(gòu)，其優(yōu)點(diǎn)是方案可靠度高，但缺點(diǎn)是對結(jié)構(gòu)的重新設(shè)計(jì)必將會(huì)增加整車的開發(fā)周期，影響項(xiàng)目的總體進(jìn)度，因此不考慮對鉸鏈結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)的方案[40]； （3）更改艙蓋的結(jié)構(gòu)，根據(jù)分析結(jié)果，擬增加艙蓋內(nèi)板的厚度，其優(yōu)點(diǎn)是根據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，具有模擬真實(shí)情況的可靠性，并且節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，縮短了研發(fā)周期，因此將方案三作為優(yōu)化方案。 

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結(jié)論 

本課題以某款發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋作為研究對象，應(yīng)用有限元分析方法，對發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋進(jìn)行靜力學(xué)分析，現(xiàn)將本文開展的主要工作及所得到的結(jié)論總結(jié)如下：將發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋三維模型加載到 Hypermesh 軟件中，由于模型的復(fù)雜性，針對艙蓋有限元模型做出合理的簡化，選取殼單元進(jìn)行艙蓋網(wǎng)格劃分，選取六面體單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，應(yīng)用 ACM2 模型模擬艙蓋的焊點(diǎn)，基本保留翻邊的結(jié)構(gòu)，建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋有限元模型。沿著三個(gè)坐標(biāo)軸方向施加 100N 載荷，應(yīng)用 Optistruct 求解器，求解發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋在載荷作用下的節(jié)點(diǎn)位移，應(yīng)用靜剛度計(jì)算方式，分別求解出艙蓋沿三個(gè)方向的靜剛度值，由分析結(jié)果可知，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋 Z 向靜剛度值為 4.44N/mm，不滿足設(shè)計(jì)要求。應(yīng)用 Abaqus 軟件，計(jì)算發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋在過開啟分析中的過開啟角度與殘余角度，分析發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋與鉸鏈的等效塑性應(yīng)變是否滿足設(shè)計(jì)要求，考察艙蓋與鉸鏈過開啟過程中的強(qiáng)度是否滿足要求，仿真結(jié)果顯示，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋過開啟角度與等效塑性應(yīng)變不滿足設(shè)計(jì)要求。根據(jù)靜剛度分析與過開啟分析的仿真分析結(jié)果，將發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋內(nèi)板的厚度由0.5mm 增加到 0.7mm，經(jīng)過驗(yàn)證更改后的艙蓋結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：68782