CAE在汽车引擎设计优化的有限元分析与应用

 一、背景

 汽车引擎盖结构主要由内板和外板两部分组成，起到发动机保护以及空气导流的作用。通常引擎盖考察的几个主要性能为整体及局部刚度、模态、外覆盖件抗凹性能以及碰撞中的行人保护。

 对于模态、刚度、抗凹性能的改进相对比较简单，通过形貌优化、形状优化、尺寸优化等多种手段都可以实现相应的改进，但是基于行人保护的优化设计比较复杂，通常的做法是根据经验手动改进模型或者借助HyperStudy等优化工具，运用集成优化的方法将各种性能纳入优化流程来进行改进，但是这种方法受限于计算能力或响应面的精度等因素，优化计算时间和后处理时间比较长。

 在这里，cae应用方案专家——有限元科技为大家提供一种借助于灵敏度分析快速实现提升行人保护性能的改进思路，可以在一定程度上适用于项目开发和改进。

 二、案例概述

 为了能比较清楚地介绍上述方法，下面将通过一个简单案例加以描述。

 1、当前状态描述

 对下图1引擎盖而言，在行人保护的头碰分析中存在一定风险，影响碰撞得分。考虑对该结构的内板进行改进。其头碰分析的结果如图2所示。图中颜色表征了伤害值，从高到低分别为红色、橙色、黄色、绿色。图2中引擎盖的中间部位基本为黄色及不同程度的橙色，说明伤害值比较大，需要大幅降低，并相应的增加绿色区域的比例。

图1发动机舱盖内板结构

图2头碰结果

 为了能改善头碰性能，引擎盖内板的很多区域需要进行减弱，内板减弱的同时亦需要兼顾模态刚度等性能指标。

 2、前处理

 如图3示例，将引擎盖的内板划分为若干区域，以其厚度或弹性模量的变化来表征结构的增强或削弱，以此灵敏度来判断内板各部分对整体模态刚度等性能的贡献。所考察的响应指标为模态、整体及局部的各种刚度、重量。根据上述划分，本文选取12个区域钣金的厚度作为变量，主要包括引擎盖的四周主梁钣金以及内部的加强梁钣金，确保左右对应部位的结构能协同变化。

 3、后处理

图3内板分区域图例

图4灵敏度分析结果

 采用田口法进行DOE分析，结果如图4所示。由结果可以判断出每个部分对所考察的刚度、模态的影响程度。绝对值越大，表明变量与考察性能的相关性就强，而正负号表征的上述相关性为正相关还是负相关。从分析结果看，input7到input11主要为为引擎盖内各加强梁，相关性数值比较小，说明这些加强梁钣金厚度对于所关注的整体、局部刚度以及模态的影响非常小，可以根据行人保护头碰的性能需求来对相关梁的结构进行调整而不影响其它关注的性能指标。同时也比较容易通过其它相对敏感位置的增强来弥补因内部横梁减弱带来的性能降低。

 三、结果验证

 1、头碰分析验证

 根据上文分析的结果以及与相关设计人员、分析人员的交流，通过HyperWorks中的morph功能，在有限元模型的基础上选择相关加强梁进行网格变形和调整，以改变梁的截面宽度、高度、改变横梁位置、开孔等为主要方向，从而快速实现对初版新模型的验证，见图5。从图6的结果中可知，在新模型的头碰分析中，由于对内板结构进行了针对性的调整，头碰得分得到了有效改善。

图5改进后的新模型

图6新模型的头碰分析验证

 2、模态刚度验证

 对新模型的模态刚度进行校核，结果显示，由于结构改变带来的模态刚度性能降低较小，均在满足性能要求的范围内。结果见图7。

 四、结论

图7模态刚度验证结果

 本文中仅以简单案例介绍了一种快速通过灵敏度分析来改善引擎盖行人保护中头碰性能的思路，其精度与设置详细形状变量开展集成优化的方法不具有可比性，相对于通过详细优化寻找最优解的方法，本文中的思路是通过优化手段来提供改进方向，快速高效地找到工程中的可行解，满足特定项目和工程需求。

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