一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法

摘要

本发明涉及汽车工业技术领域，具体涉及一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法，将发动机盖、发动机盖相关附件以及与发动机盖配合的白车身数据导入软件内建立模型；获取发动机盖开闭过程中的产生的时域应力结果；将时域应力结果导入软件内模型循环模拟发动机盖开闭过程达到模拟预设次数并获得各个损伤值；将各个损伤值与对应的标准值进行比较，当各个损伤值均小于标准值，则设计满足要求，否则，不满足；本发明无需进行大量对标试验，只需要提供相关材料基本参数即可仿真分析，仿真结果精度更高，可以更好的指导修改设计方案；且发动机盖焊点结构可以进行疲劳分析，单独计算出发动机盖焊点在开闭耐久试验中的损伤值。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车工业技术领域，具体涉及一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法。

背景技术

汽车发动机盖是整车重要的子系统，耐久性是其最基本的性能指标。如果发动机盖结构刚度不够或者缓冲块位置设计不合理，发动机盖会在耐久试验过程发生开裂现象。发动机盖的开闭耐久试验是整车厂验证其耐久性能的必要试验，不同主机厂要求其开闭试验次数至少在3000-10000次，试验过程包括样车准备，台架搭建，正式试验，问题检测等，至少花费一周以上时间。如果试验发生钣金或焊点开裂现象，设计人员修改设计方案后，需重新制作样件再次进行试验验证，并且每设计出一种发动机盖都要通过试验来验证疲劳强度是否满足要求，如此反复耗费大量时间与样件制作，试验费用，影响开发周期。

目前主流整车研发企业，在真实样车完成试制之前，对车发动机盖的开闭耐久性能虚拟开发，有采用惯性释放法与多体动力学法。

惯性释放法基于外部载荷与惯性力之间存在近似平衡的假设，获取关闭时产生的锁扣力，预测发动机盖开闭件疲劳寿命的一种方法。汽车发动机盖关闭过程开始为机盖在一定转矩下的刚体转动，所以分析的第一步也是先给发动机盖旋转体施加一个单位转矩，通过惯性释放计算输出相应转矩下PUNCH文件格式的发动机盖旋转体GPFORCE数据。以惯性释放计算出GPFORCE数据，将其作为载荷约束发动机盖铰链和锁扣位置，通过线性静态分析计算锁扣位置的约束反力。根据输出锁扣位置的约束反力，以及锁扣测量与预估值，乘以一定的放大因数，重新计算输出所关注零件的vonMises应力。将综合钣金件与焊点的应力结果导入ncode疲劳软件进行疲劳寿命评估。

用多体动力学法评估发动机盖的结构耐久性能，相对比较简单而且迭代快速。按图1所示流程及机盖的有限元模型，可快速预测其疲劳寿命。多体模型中，发动机盖的锁机械机构简化成刚体单元，缓冲块则用具备非线性刚度特性的弹簧单元模拟，关键钣金结构则定义成柔性体，获取关键接触部位的载荷，最终根据应力应变及变形效果预测关闭件的疲劳寿命。

惯性释放法的优点是模型简单，不含复杂的白车身；计算利用线性分析，响应和迭代快速。难点是需要依靠大量历史数据及工程师开发经验的支撑，而且无法考虑关闭过程中的动态效应及材料、接触等非线性因素，无法计算车身侧结构的损伤，仿真精度差无法与试验对标。

多体动力学法评估发动机盖的开闭耐久性能，把车身部分看作是刚体，而把机盖定义为柔性体。利用多体动力学分析获取关键部位的载荷，可得到相应的应力应变性能，从而评估其耐久性能。然而这种方法考虑锁机构、密封条及缓冲块加载-变形的非线性特性，需要大量的前期试验数据的支撑和对标，同时忽略了车身变形的因素，对分析结果又一定影响。且通常无法单独分析焊点的损伤值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种克服背景技术的不足，实现快速、有效的评价其钣金与焊点的疲劳寿命，使其设计周期更短，设计成本更低，疲劳寿命预测更加精确的基于有限元的汽车发动机盖开闭耐久疲劳分析方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法，包括

将发动机盖、发动机盖相关附件以及与发动机盖配合的白车身数据导入软件内建立模型；

获取发动机盖开闭过程中的产生的时域应力结果；

将时域应力结果导入软件内模型循环模拟发动机盖开闭过程达到模拟预设次数并获得各个损伤值；

将各个损伤值与对应的标准值进行比较，当各个损伤值均小于标准值，则设计满足要求，否则，设计不满足要求。

进一步的，所述发动机盖导入软件时，所述发动机盖抽取几何中面，以平均单元尺寸对中面进行有限元网格划分。

进一步的，所述发动机盖的发动机盖外板、发动机盖内板、铰链加强板、铰链和锁扣加强板；

所述发动机盖导入软件内建立模型的过程为：

在Hypermesh软件Nastran模板下，导入发动机盖几何数据，对发动机盖外板、发动机盖内板、铰链加强板、铰链和锁扣加强板抽取几何中面，以平均单元尺寸6mm大小对中面进行有限元网格划分，四边形网格单元类型为CQUAD4，三角形网格单元类型为CTRIA3；对网格单元赋予材料属性与厚度属性。

进一步的，所述发动机盖模型的连接处理为：

所述模型中的焊点采用节点对节点的CBAR单元模拟，并设置单元直径和材料的弹性模量；

所述发动机盖内板与发动机盖外板之间的膨胀胶采用CHEXA单元模拟；

所述铰链包括销轴和固定螺栓，所述销轴采用CBAR单元模拟，同时释放轴向旋转自由度，所述固定螺栓采用rbe2刚性单元模拟；

所述发动机盖还包括包边，所述包边采用壳单元模拟，并设置单元厚度。

进一步的，所述模型中的焊点采用应力法进行焊点疲劳仿真，包括：

每个所述焊点由上下两层壳单元与中间CBAR单元组成，每层壳单元包括内圈4个单元与外圈8个单元；

将模型中的焊点导入FEMFAT软件中对焊点进行形式转化；

将转化后的焊点再导入模型内，模板转换为LsDyna，进行整体仿真模型搭建。

进一步的，所述白车身包括发动机盖锁，所述发动机盖锁包括棘轮、棘爪、锁壳和两个的复位弹簧；

所述发动机盖还包括与发动机盖锁配合的锁钩；

所述发动机盖锁与锁钩导入软件内建立模型的过程为：

所述锁钩采用实体单元模拟，通过壳单元模拟焊缝焊接在发动机盖锁加强板上；

所述锁壳采用壳单元模拟，通过刚性单元模拟螺栓连接在车身侧；

所述棘轮与棘爪采用实体单元模拟，通过刚性单元与revjoints单元联合模拟，将棘轮与棘爪固定在锁壳上同时释放其轴向旋转；

采用DISCRETE单元模拟复位弹簧，单元属性设置为拉压弹簧，设置复位弹簧的刚度，使棘轮、棘爪达到自动复位效果，完成锁止动作。

进一步的，所述相关附件包括隔音棉和缓冲块；

所述隔音棉、缓冲块导入软件内建立模型的过程为：

所述隔音棉采用集中质量点mass单元模拟，采用ConIntp单元将质量均匀分配到发动机盖内板上；

所述缓冲块采用实体单元模拟，设置材料类型和缓冲块刚度曲线值。

进一步的，所述白车身包括车身侧单元；

所述模型内的发动机盖单元、车身侧单元为自接触设置，所述发动机盖单元与车身侧单元接触为面面基础，并设置摩擦系数。

进一步的，所述“发动机盖开闭过程中的产生的时域应力结果”包括：

将发动机盖模型从关闭位置旋转抬起，在发动机盖与铰链活动端的单元节点上施加旋转角速度，

所述旋转角速度的算过程为：将发动机盖由关闭位置抬起后自由落体关闭发动机盖，测量发动机盖前沿中点到达关闭位置的速度，测量发动机盖前沿中点到铰链旋转轴的距离；将发动机盖前沿中点到达关闭位置的速度除以发动机盖前沿中点到铰链旋转轴的距离获得旋转角速度；

固定约束车身侧截取面的自由度，设置求解器控制参数，并输出文件，提交求解器进行一次关闭过程瞬态非线性仿真计算，获得时域应力结果。

进一步的，在“将时域应力结果导入软件内模型循环模拟发动机盖开闭过程”之前对输出的文件采用ANSA软件进行格式转换，导入之后在软件内重新定义模型的参考坐标系。

本发明的有益效果在于：通过所用有限元数模最全面，既包括发动机盖本身及相关附件，如密封条、锁机构、缓冲块等，同时考虑了周边匹配的白车身部分，如在机盖的关闭分析过程中同时也考核水箱上横梁、大灯支架等车身钣金件的耐久性能；无需进行大量对标试验，只需要提供相关材料基本参数即可仿真分析，同时考虑了材料非线性与结构的接触因素，仿真结果精度更高，可以更好的指导修改设计方案；且发动机盖焊点结构均采用特殊模拟形式，其应力结果可以导入FEMFAT软件中进行基于应力法的疲劳分析，单独计算出发动机盖焊点在开闭耐久试验中的损伤值。

附图说明

图1为现有技术的多体动力学方法流程；

图2为本发明具体实施方式的一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法的FEMFAT焊点材料结构形式；

图3为本发明具体实施方式的一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法的发动机盖锁模拟示意图；

图4为本发明具体实施方式的一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法的发动机盖模拟示意图；

图5为本发明具体实施方式的一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法的发动机盖关闭仿真示意图；

图6为本发明具体实施方式的一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法的焊点节点的参考坐标系；

图7为本发明具体实施方式的一种基于有限元的发动机盖开闭耐久疲劳分析方法的流程示意图；

标号说明：1、发动机盖；11、锁钩；2、白车身；3、发动机盖锁；31、棘轮；32、棘爪；33、锁壳；34、复位弹簧。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

所述发动机盖1包括发动机盖外板、发动机盖内板、发动机盖内板与发动机盖外板之间的膨胀胶、铰链、铰链加强板、锁钩11和锁扣加强板；所述铰链包括销轴和固定螺栓；

所述相关附件包括隔音棉和缓冲块；

所述白车身2包括发动机盖锁3和车身侧单元，所述发动机盖锁3包括棘轮31、棘爪32、锁壳33和两个的复位弹簧34；

参照图2至图7，一种基于有限元的发动机盖1开闭耐久疲劳分析方法，包括

步骤一、在Hypermesh软件Nastran模板下，导入发动机盖1几何数据，对发动机盖外板，发动机盖内板，铰链加强板，铰链，锁扣加强板抽取几何中面，以平均单元尺寸6mm大小对中面进行有限元网格划分，四边形单元类型为CQUAD4，三角形单元类型为CTRIA3；对网格单元赋予材料属性与厚度属性。

步骤二、发动机盖1模型连接处理，所有焊点均采用节点对节点的CBAR单元模拟，单元直径设置为6mm，材料的弾性模量设置为210000，膨胀胶采用CHEXA单元模拟，铰链销轴采用CBAR单元模拟，同时释放轴向旋转自由度，铰链固定螺栓采用rbe2刚性单元模拟，发动机盖1包边采用壳单元模拟，单元厚度为2层发动机盖外板厚度与1层发动机盖内板厚度之和。

步骤三、本申请可采用应力法进行焊点疲劳仿真，因此将步骤二生成的有限元模型以.bdf文件格式导入FEMFAT软件中对焊点进行形式转化。单个2层焊点结构形式如图2所示。每个焊点由上下两层壳单元与中间CBAR单元组成，每层壳单元包括内圈4个单元与外圈8个单元。CBAR界面属性为直径6mm。上下两层单元构成圆直径为6mm。内圈单元材料固定编号为MAT151,其弾性模量值为840000，外圈单元材料固定编号为MAT152，其弾性模量值为210000，中间CBAR单元固定材料牌号为MAT152。

步骤四、将完成步骤三的发动机盖1模型与部分相关的车身模型再次导入Hypermesh软件，模板转换为LsDyna，进行整体仿真模型搭建。

步骤五、如图3所示，发动机盖锁3模型建立，锁钩11采用实体单元模拟，通过壳单元模拟焊缝焊接在发动机盖锁3加强板上，锁壳33采用壳单元模拟，通过刚性单元模拟螺栓连接在车身侧，棘轮31与棘爪32采用实体单元模拟，通过刚性单元与revjoints单元联合模拟，将棘轮31与棘爪32固定在锁壳33上同时释放其轴向旋转。采用DISCRETE单元模拟复位弹簧34，单元属性设置为拉压弹簧，复位弹簧34刚度设置50N/mm，使棘轮31、棘爪32可以达到自动复位效果，完成锁止动作。

步骤六、发动机盖1相关附件模型建立，隔音棉采用集中质量点mass单元模拟，采用ConIntp单元将质量均匀分配到发动机盖内板上。缓冲块采用实体单元模拟，材料类型为RUBBER，输入缓冲块刚度曲线值。

步骤七、接触设置，将发动机盖1本身单元设置为自接触，将车身侧单元设置为自接触，将发动机盖1单元与侧身侧单元接触类型设置为面面接触，摩擦系数设置为0.2。

步骤八、将发动机盖1模型从关闭位置旋转抬起10°，在整个发动机盖1与铰链活动端的单元节点上施加旋转角速度ω，ω计算方法为将发动机盖1由关闭位置抬起300mm，自由落体关闭发动机盖1，测量发动机盖1前沿中点到达关闭位置的速度V，ω＝V/L，L为发动机盖1前沿中点到铰链旋转轴的距离。固定约束车身侧截取面的自由度，设置求解器控制卡片参数，输出.k格式文件，即可提交LsDyna求解器进行一次关闭过程瞬态非线性仿真计算，输出时域的应力结果保存在.d3plot文件中。

步骤九、本发明关注基于应力法的钣金与焊点结构的疲劳损伤值一同仿真，由于疲劳仿真FEMFAT软件无法识别.k文件，需要采用ANSA软件进行格式转换，将包含整个模型数据的.k文件转换成.bdf文件格式。

步骤十、如图6所示，在ANSA转换过程中，保持模型单元与节点编号不变，但存在焊点单元的节点参考坐标系消失现象，导致FEMFAT软件无法识别.bdf文件中的焊点，需要在步骤九的基础上，在Hypermesh软件中重新定义模型焊点单元节点的参考坐标系。上下两层焊点的内圈单元节点定义固定编号为115的参考坐标系，外圈单元节点定义固定编号为120的参考坐标系，焊点中心节点定义固定编号为360的参考坐标系。将重新定义坐标系的模型保存为.bdf格式文件。

步骤十一、将重新模型定义参考坐标系的.bdf文件与包含时域应力结果的.d3plot文件一同导入FEMFAT中，对所需计算的钣金单元与焊点单元进行分组，赋予基于材料本体的S-N曲线参数，循环次数设置为10000次，计算出相同状态发动机盖1开闭10000次后钣金与焊点的损伤值，钣金疲劳损伤值标准不超过0.2，焊点疲劳损伤值标准为1.0。

步骤十二、对于正向设计的发动机盖1，当钣金焊点的疲劳损伤值均小于标准均值时，设计满足要求，当计算损伤值大于标准值时，设计不满足要求，需改进设计方案重新计算分析。

文中所述的钣金是一种针对金属薄板的综合冷加工工艺，包括剪、冲/切/复合、折、焊接、铆接、拼接、成型等，如本申请中的汽车车身、发动机盖1等金属件，主要目的为区别出焊点与其他金属件。

综上所述，本发明通过联合使用Hypermesh，LsDyna，ANSA，FEMFAT软件，采用基于瞬态非线性的有限元方法模拟了发动机盖1的关闭过程，输出了时域过程的应力结果，之后可将此应力结果导入疲劳软件中进行疲劳损伤值仿真计算，来模拟发动机盖1开闭耐久试验。

本发明创新的采用了FEMFAT焊点的结构形式计算焊点在关闭过程的应力，实现了钣金与焊点结构疲劳同时计算，并解决了其他方法无法计算焊点疲劳的问题，并且可以考察车身侧结构的疲劳损伤。

在汽车正向设计过程中，使用本发明流程方法可在设计初期预测发动机盖1的开闭耐久疲劳损伤值，判断是否满足设计需求，指导设计人员优化改进设计方案。

在样车试验验证阶段，可使用本发明流程方法快速验证改进方案是否有效，使用仿真方法对比多种改进方案，减少样车实际试验次数，缩短研发周期，节省开发费用。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。