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一、引言

发动机舱盖是车身上开合件，是白车身的重要组成部件。使用过程中受到弯曲及扭转载荷工况作用，同时在车辆碰撞与行人碰撞中，常与行人头部发生接触。舱盖在外板及内加强板下设置支撑结构，内外板通过冲压工艺加工，通过焊接、粘接、滚压进行连接。

发动机舱盖是轿车车身覆盖件的关键总成，除了保证外形美观以外，舱盖的开、关应可靠，为此，舱盖应有足够的刚度。刚度不足，会导致舱盖局部区域出现大的变形，影响舱盖的密封性; 强度不足，会出现局部损坏，从而影响了整车的正常使用。随着现代计算机仿真技术的发展，有限元技术越来越多的应用到汽车设计当中。运用有限元技术对汽车总成及零件进行设计校核，能够在总成及零件设计初期对设计的合理性及可靠性进行预测，从而缩短了开发周期，节约了试验成本.

二、课题来源

随着计算机技术和数值分析理论的发展,以有限元分析技术为代表的技术在现代汽车产品设计中扮演着越来越重要的角色,几乎贯穿了汽车设计的全过程采用有限元方法对车身及其零部件的结构力学性能进行理论分析在代车身设计中得到广泛的应用,越来越受到人们的关注,国内外相关研究已经取得了相当大的成果

车身不光是支撑整个汽车的骨架，也是在发生事故时重要的被动安全之一，因此对于整个的设计必须的考虑到碰撞安全的问题。事故中常发生的车与车的碰撞和车与人的碰撞，在美国、欧洲等汽车发达国家和地区，行人保护已经成为强制性法规要求，是车辆基本的市场准入要求，同时也是Euro-NCAP评分内容中的一项。我国仍属于人、车混合的交通状况，车辆碰撞事故频繁发生。在车辆与行人碰撞事故中，行人属于弱势群体，加上现阶段车辆缺乏对行人保护的措施，行人伤亡严重 。随着人们对行人保护意识的不断提高，我国C-NCAP加入行人保护的评价项目，如今设计人员不仅需要考虑驾驶员和乘客的安全性，也需要考虑在发生碰撞事故时对行人的安全保护，尽可能减少对行人的物理伤害。 

同时发动机罩是发动机舱的“门”，是最醒目的车身外观件，也是买车者经常要查看和触摸的部件之一。由于机罩在客户触摸以及洗车等工况下存在被使用者按压的情况，故发动机罩的设计需保证一定的指压刚性，指压刚性是发动机罩自身结构刚性的重要控制项，发动机罩优异的指压刚性能会提升使用者对发动机罩坚固性的印象。行人保护要求发动机罩尽可能的做弱，以降 低发动机罩对行人头碰的影响，同时为保证客户对机罩的坚固性印象，又要求发动机罩设计的尽 可能强。

三、国内外研究现状

随着计算机技术、数值计算理论、有限元分析技术、多体动力学仿真技术等的发展和应用,高速图形终端和工作站的出现,等现代设计方法在车身设计中扮演着越来越重要的角色。是科学计算技术、可视化技术与计算机硬件共同迅速发展的结果。上世纪六十年代以来,以有限元为代表的先进的计算方法随着计算机性能的持续提高,其解决工程问题时效率高、费用低的优势得到了充分体现,相应的商品化软件不断涌现,使已成为一门不小的产业。

在追求降低开发设计的时间和费用的前提下要设计出世界一流的汽车的目标下,是不可缺少的工具。由于不需要额外时间和费用去制作样车或样件,就能迅速地评估设计方案,所以以能加速设计方案的确定。在计算机模型上进行方案的修正要比在几轮样车上做试验容易的多。目前,在汽车的开发中应用非常广泛。如计算零部件的应力和变形进行强度和刚度分析进而进行疲劳分析汽车振动噪声方面的计算采用多体动力学方法的汽车动力学仿真分析汽车碰撞模拟分析用计算流体动力学来预测汽车的风阻系数等。

同样的，有限元在发动机舱盖方面上的研究也在随着时代的发展在不断进步，以下文献分析主要在有限元法和在前舱盖的应用上相关的进步与发展。文献[1]主要以发动机舱盖为研究对象，基于等刚度替换原则，选用铝合金材料替代传统钢材料的方案，并铝合金发动机舱盖的刚度及行人保护等性能进行 CAE分析，最终完成满足行人保护与刚度性能目标的铝合金发动机舱盖的设计，同时实现发动机舱盖减重 40%。文献[2]主要以钢制发动机舱盖内板结构为基础，以保证扭转刚度和降低质量比为优化条件，利用 OptiStruct 软件进行多次迭代优化，得到相应的铝合金舱盖内板基础结构，为后续的发动机舱盖钣金设计提供参考。文献[3]主要采用 Abaqus 静力学分析功能，针对发动机舱盖进行过开启分析，考察舱盖和铰链的最大应力，并分析因过开启引起的铰链、舱盖的等效塑性应变是否满足设计要求。最终得到舱盖在过开启过程中无破坏风险，舱盖的过开启性能满足设计要求的结论。文献[4]主要通过竞品分析在E-NCAP行人头碰得分较高车型的指压性能，优化发动机罩指压性能设计目标，最终得到修订后的发动机罩盖指压目标。文献[5]选取发动机舱盖内板加强梁拓扑结构形式的变化、内板横梁的移动、纵梁的移动作为设计变量，以发动机舱盖模态、刚度为约束条件，以重量及行人头部保护性能为优化目标，建立近似模型，采用非支配遗传算法对发动机舱盖进行多学科联合优化，在保证各项性能满足要求的前提下， 获得了发动机舱盖的最优结构。文献[6]主要本文深度解析了C-NACP_2018行人保护评价准则 ， 总结了在追求C-NACP_2018行人保护５星评价过程中,某车型所做的保护设计与结构改进的 三种形式 。文献[7]为提升某发动机舱盖模态频率与刚度性能，建立隐式参数化模型。对支撑梁位置设计变量进行多目标优化并研究了各变量对性能的影响。得到缓冲块沿整车坐标系下的移动，对各项刚度性能均有影响的结论。同时，多目标优化对弯曲刚度及前角刚度性能有明显的提升，获得了更为合理的结构。文献[8]基于有限元法对某车型的发动机舱盖进行刚度和强度的分析与校核，通过计算求得弯曲刚度和扭转刚度; 根据零件的安全系数校核各零件的强度，通过与参考车型发动机舱盖的刚度相比较，确定了设计满足需求。文献[9]以某车型发动机舱盖与子板外观匹配为研究对象，从单件设计、总成压合过程、装配过程一致性和车身设计分缝方面进行原因分析，归纳总结汽车发动机舱盖与翼子板外观匹配的主要影响因素及控制方法。文献[10]建立了发动机前舱盖有限元模型,进行了自由模态分析和频率响应分析。对实际样车进行了试验测试,并对理论分析与白车身试验分析的结果进行了比较分析研究,指出了其结构静、动态力学性能上的不足。文献[11]阐述了避开碰撞风险区、增大溃缩空间及弱化零部件局部结构的 3 种主要设计方法，利用 PAM-CRASH软件分析了在发动机罩结构设计中的应用和改善效果，使头部损伤指数有不同程度地降低。文献[12]提出了一种基于行人头部保护和刚度要求的发动机罩内板优化设计方法，对其进行参数化设计和优化分析．将优化方案与初始方案进行对比，得到了优化方案在满足发动机罩刚度要求的前提下能显著降低行人头部碰撞的伤害值的结果。文献[13]本文研究在满足频率、刚度约束的要求下,通过拓扑优化,材料替换,尺寸、角度的联合优化,实现车辆发动机罩的轻量化设计。将优化后CFRP发动机罩性能与钢制的进行比较,发现碳纤维复合材料发动机罩降重7.2kg,减重36%。文献[14]提出了一种简单的结构形状优化和布局优化。在优化过程中，减少了低应力部分的材料。通过实例说明了该方法所获得的结构形状和布局为最佳。文献[15]本文以钢制发动机罩为原型，设计CFRP发动机罩，分析发动机罩的动态性能，优化动态刚度指数，同时考虑结构轻量化。并将优化后结果与原钢发动机罩进行了对比。得到了优化后的CFRP发动机罩具有更好的动刚度性能，而且轻量化效果达到24.4%的结果。文献[16]以某轿车作为样本,在相同位置截取前舱盖和后舱盖,利用有限元法对总成结构进行了自由模态分析,确定了前后舱盖固有特性满足设计要求。文献[17]以发动机罩内罩板作为研究对象，提出了一种优化方法，使模型在轻量化的同时满足基本力学性能要求。根据优化结果修改内罩板模型，与标杆模型的力学性能进行对比。经检验铝合金材料发动机罩设计模型质量较标杆车模型减轻约21.4%，力学性能良好。

四、综合分析

1、研究内容

本课题通过在mazda 6整车模型中识别发动机舱盖组件，明确发动机舱盖门组成（主要零部件13个），如图1所示。在独立后发动机舱盖CAD模型基础上，完成发动机舱盖的各零部件有限元建模及整体焊接，计算顶盖基本振动特性，计算发动机舱盖的弯曲刚度、扭转刚度、前角刚度、中后部刚度，分析计算主要零部件对振动特性及刚度特性的灵敏度。进一步研究基于等效刚度法采用轻质材料后舱盖的性能特征。

图1 发动机舱盖零部件名称

2、工作要点

1）基于整车CAD模型，熟悉车身组成部件，精确识别前发动机舱盖部件，生成前发动机舱盖的独立CAD模型。

2）按CAE建模零件管理规范，完成发动机舱盖零部件CAE模型建档（规范命名、ID识别号、材料、特征参数）。

3）综合考虑尺寸、单元类型、合理简化等因素，按规范建立高质量发动机舱盖零部件有限元模型。完成发动机舱盖整体焊接。

4）对发动机舱盖静态四种刚度特性和基本动态特性进行仿真计算，分析各组成部件对基础性能影响的灵敏度。

5）综合考虑成本、社会、环境、法规等因素，分析本车发动机舱盖材料的改变对其性能的影响.

3、工具使用

本次课题全程主要使用HYPERWORKS软件中的HYPERMESH进行分析和计算，主要用于零部件网格的划分，材料属性的定义，具体工况模拟的约束条件加载以及最后的性能分析计算。

4、参数影响分析

本次课题主要影响参数分三个阶段。第一阶段划分网格中网格密度以及质量，第二阶段中零件材料属性的复制，以及第三阶段中模拟工况的加载条件（包括约束的大小和位置）。

五、方案论证

1、课题流程

（1）抽取模型

将发动机舱盖所属部件从整车模型中单独剥离出来，认清所属部件，规范命名，保存ID识别号。

（2）网格划分

以5为标准进行网格划分，同时按照2d网格划分标准对网格质量进行检测，获得合格的网格以保证后续处理的顺利进行。

（3）材料赋值

对零件的材料属性进行合理的赋值。

（4）零件焊接

将各个网格划分完毕的零部件重新焊接成为一整个组件以进行后续分析。

（6）模拟工况加载

根据实际工况对模型进行模拟工况加载，针对真实受力情况合理设计多个模拟加载工况以便于分析。

（6）优化分析

根据上述步骤的工况由HYPERMESH对其进行分析计算并得出结果。

（7）结论研讨

对方案进行对比分析，得出最终结论，同时对其合理性、可行性和有效性进行说明和论证。

2、工况分析

取锁钩中心点、左右 2 个铰链安装点的中心点及 左侧铰链安装点 3 个点，建立局部坐标系。在该局部坐 标系中，x' 方向为铰链轴方向，y' 方向为以上 3 点确定平面的法线方向。

对发动机舱盖弯曲、扭转、前角、中后部进行刚度分析，约束条件和载荷工况。1）弯曲刚度 分析：在发动机盖锁扣节点处沿 y' 向施加 300 N 的载荷；2） 扭转刚度分析：在两侧缓冲块位置沿 y' 向施加 240 N·m 的扭矩；3）前角刚度分析：在左侧缓冲块节点 处沿 y' 向施加 100 N 的载荷；4）中后部刚度分析：在发 动机舱盖中后部节点处沿 y' 向施加 100 N 的载荷,如图2.

 

图2 舱盖刚度工况边界条件示意图

3、结论研讨

本次毕业设计主要通过CAE分析软件Hypermesh对马自达6车型的前舱盖总成和部分前围零件进行有限元分析前处理，对前舱盖总成进行静力分析和自由模态计算，并研究其主要零部件对各特征值的灵敏度情况。得出的主要结论如下: （1）通过使用Hypermesh软件进行有限元分析，掌握通过CAE软件进行有限元分析的方法步骤，首先对三维模型前处理，对处理后模型进行计算，对计算后数据进行后处理。对马自达6前舱盖总成进行有限元分析，研究前舱盖的结构、材料和研究方向，完成目标模型从整车模型中的提取，对前舱盖模型和部分前围零件模型前处理，通过几何清理、抽取中面、划分网格、质量检测和模型连接几个步骤完成前处理，解决前处理过程中遇到的问题并总结思考前处理更优的方法，建立了有效的前舱盖有限元模型；

（2）分析设立前舱盖静力情况下的四种工况，对弯曲刚度、扭转刚度、前角刚度、中后部刚度各个工况施加载荷和约束，并对各个工况进行刚度计算分析，计算得弯曲刚度为222N/mm，扭转刚度888.89N·m/（°），前角刚度246N/mm，中后部刚度178N/mm，与查阅资料的标准相校核，所有刚度均符合要求，得到该前舱盖模型在各个工况下都满足刚度标准且应力低于材料的疲劳极限的结论。

（3）对模型的自由模态进行计算分析，得到前舱盖模型的六阶振型，分析振型和频率，得到该模型的一阶扭转频率为23.48Hz，跟发动机怠速时的28.33Hz有一定差距不会产生共振，且与一阶弯曲频率46.15Hz差距也很大，也不会发生共振现象，整个前舱盖模型具有良好的稳定性；

（4）对前舱盖模型中的主要部件内板与外板进行灵敏度分析，改变内外板的厚度，计算各个特征参数对两零件的灵敏度，并将两零件的各灵敏度进行对比分析，内板的各参数灵敏度远大于外板的各参数灵敏度，得出结论，前舱盖内板的厚度对前舱盖各个特征参数灵敏度较大，对其影响较大，后续研究各个特征值时可对内板厚度进行研究。

 

六、工作步骤

序号 设计（论文）各阶段任务 日期

1 查阅资料，熟悉课题，学习发动机舱盖设计准则； 12.21-12.30

2 软件学习： HYPERWORKS网格划分练习；撰写并上交开题报告； 1.1-1.10

3 确定发动机舱盖CAD模型；完成CAE建模前发动机舱盖规范管理；完成英文翻译； 1.11-1.25

4 建立发动机舱盖零部件有限元模型；完成中期检查报告； 1.26-1.31

3.1-3.26

5 完成零部件网格质量检查，进行发动机舱盖总成焊接（2种焊接方式）； 3.27-4.3

6 完成发动机舱盖四种刚度性能及基本动态特性仿真计算，分析计算各零部件对发动机舱盖基本性能影响的灵敏度。 4.4-4.14

7 分析不同材料对基本性能的影响，结合计算结果讨论轻量化材料使用的合理性。完成论文提纲。 4.15-4.21

8 撰写毕业论文，并根据导师建议修改论文。 4.22-5.12

9 答辩准备及制作答辩ppt 5.13-5.23

10 答辩，修改完善资料。 5.24-5.31

 

七、参考文献

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