CAE在汽車引擎設(shè)計優(yōu)化的有限元分析與應(yīng)用
一、背景
汽車引擎蓋結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)板和外板兩部分組成，起到發(fā)動機保護以及空氣導(dǎo)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(yīng)的改進，但是基于行人保護的優(yōu)化設(shè)計比較復(fù)雜，通常的做法是根據(jù)經(jīng)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(yīng)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(yīng)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(dāng)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(fēng)險，影響碰撞得分。考慮對該結(jié)構(gòu)的內(nèi)板進行改進。其頭碰分析的結(jié)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(yīng)的增加綠色區(qū)域的比例。
圖1發(fā)動機艙蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)
圖2頭碰結(jié)果
為了能改善頭碰性能，引擎蓋內(nèi)板的很多區(qū)域需要進行減弱，內(nèi)板減弱的同時亦需要兼顧模態(tài)剛度等性能指標(biāo)。
2、前處理
如圖3示例，將引擎蓋的內(nèi)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(jié)構(gòu)的增強或削弱，以此靈敏度來判斷內(nèi)板各部分對整體模態(tài)剛度等性能的貢獻。所考察的響應(yīng)指標(biāo)為模態(tài)、整體及局部的各種剛度、重量。根據(jù)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(nèi)部的加強梁鈑金，確保左右對應(yīng)部位的結(jié)構(gòu)能協(xié)同變化。
3、后處理
圖3內(nèi)板分區(qū)域圖例
圖4靈敏度分析結(jié)果
采用田口法進行DOE分析，結(jié)果如圖4所示。由結(jié)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(guān)性就強，而正負(fù)號表征的上述相關(guān)性為正相關(guān)還是負(fù)相關(guān)。從分析結(jié)果看，input7到input11主要為為引擎蓋內(nèi)各加強梁，相關(guān)性數(shù)值比較小，說明這些加強梁鈑金厚度對于所關(guān)注的整體、局部剛度以及模態(tài)的影響非常小，可以根據(jù)行人保護頭碰的性能需求來對相關(guān)梁的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整而不影響其它關(guān)注的性能指標(biāo)。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(nèi)部橫梁減弱帶來的性能降低。
三、結(jié)果驗證
1、頭碰分析驗證
根據(jù)上文分析的結(jié)果以及與相關(guān)設(shè)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(chǔ)上選擇相關(guān)加強梁進行網(wǎng)格變形和調(diào)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(jié)果中可知，在新模型的頭碰分析中，由于對內(nèi)板結(jié)構(gòu)進行了針對性的調(diào)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(jié)果顯示，由于結(jié)構(gòu)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(nèi)。結(jié)果見圖7。
四、結(jié)論
圖7模態(tài)剛度驗證結(jié)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(shè)置詳細(xì)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(xì)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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