基于CAE的发动机舱罩结构分析及优化设计

摘要：通过建立某车型发动机舱罩的有限元模型进行模态分析，利用拓扑优化方法对其结构进行优化设计并提出了两种优化方案，经过进一步分析和制造工艺性能的对比，确定了一种结构优化方案。最后验证了优化方案的刚度，提高了发动机舱罩的整体性能，达到了优化的目的。计算机辅助工程（CAE）工具的运用能够为工程设计人员指明设计方向，缩短研发周期，降低研发成本，取得良好的经济效益。

关键词：计算机辅助工程（CAE）；拓扑优化；发动机舱罩

中图分类号：U463.83+3 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）02-0016-04

发动机舱罩是汽车车身的重要组成部分，不仅影响整车的造型美观，还要保护机舱内的发动机和其他重要的零部件免受损伤。在日常使用过程中会经常开闭，因此其整体性能是汽车重要的性能之一，需要进行相关的测试及优化。如果利用计算机辅助工程（CAE）工具进行分析，可以节省实验样件的数量和次数，尤其是有多种设计方案时，利用CAE工具可以快速进行分析和比较，指导设计人员对发动机舱罩结构改进和优化，提高产品性能，降低成本。

本文以某车型发动机舱罩为研究对象，采用有限元分析方法分析了原始方案的自由模态。针对第一阶模态频率相对较低的问题，采用拓扑优化分析方法，重新设计内板加强筋的结构。计算两组优化方案的模态结果，选定较优一组作为最终设计，同时亦对其刚度性能进行验证。

1 发动机舱罩模态分析

1.1 模态分析的基本理论

模态分析是根据结构特性与材料特性等参数分析，采用有限元法形成系统的离散数学模型――质量矩阵和刚度矩阵，求解特征值，确定模态参数。典型系统的自由模态分析基本方程可表达为如下形式：

自由模态分析求解式（2），即对特征方程求解。

1.2 发动机舱罩有限元模型建立

原始方案是工程部门根据造型和结构设计经验构建的，具体方案如图1所示。该设计方案需要通过模态分析来验证结构设计是否合理。

将几何模型导入前处理软件，然后进行几何清理、网格划分、属性与材料等建模分析流程，见图2。最后完成的有限元模型相关参数和信息见表1。

1.3 模态分析结果

本文计算的为发动机舱罩的自由模态，不需要考虑约束与载荷。将计算模态提交MSC.Nastran进行分析，利用Lanczos法提取发动机舱罩的前10阶频率，重点考察第一阶模态。得到原始方案的第一阶自由模态为34.48 Hz，模态振型为一阶扭转，相比整车目标性能设定中的CAE目标值偏低很多。为确保发动机罩的性能，有必要对设计进行优化，见图3。

2 结构优化分析

2.1 拓扑优化分析

拓扑优化综合了力学理论、数学规划、计算机科学以及各工程学科的不同理论，将计算机辅助分析手段从被动的校核提升到主动设计上。通过设定性能目标变量以及性能约束变量，由拓扑优化算法在一定的设计空间中，计算不同的方案结果，最终得到一个相对较优的新设计。

本文以Optistruct为优化工具，采用了变密度优化算法进行优化。变密度法的基本思想是人为地引入一种假想的密度可变材料，物理参数与材料密度之间的关系是人为假定的。优化时，以单元的相对材料密度为设计变量，将拓扑优化问题转化为材料的最优分布问题。

优化模型选择以原始方案为基础，删除其内板加强筋结构，见图4；同时选取对应的外板结构作为优化空间。

优化目标：选择分析模型的第一阶模态频率最高作为优化目标；

2.2 优化方案模态分析

采用相同的模态计算方法，得到不同优化方案的对比计算结果，见表2。可见两组优化方案的第一阶模态频率都有了显著提高。

2.3 刚度分析验证

比较不同优化方案的模态结果，优化方案一频率提升效果更好一些，并考虑为了NVH目标性能的达到有可能要在发动机罩上增加隔热、隔音垫，优化方案一可以为隔热、隔音垫提供足够的安装点，故选定优化方案一作为设计优化的主方向。由于发动机舱罩的刚度性能也设计的重要性能指标，同样需要分析验证，其刚度CAE计算结果见表3。

结合行人保护的模拟分析结果，对发动机罩的各项指标又进行了优化，保证发动机罩在保证刚度、强度、疲劳等方面达到目标性能的同时，在行人保护方面也达到理想的效果。在刚度和行人保护之间往往需要达到一定的平衡，在相互冲突时需要通过CAE分析结果和实际经验决定互相的协调和取舍。

3 结论

本文基于CAE分析计算以及拓扑优化方法，重新改进了发动机舱罩的结构设计。新设计相对于原始方案在第一阶模态频率有了大幅度的提高，同时，在弯曲刚度与扭转刚度也显著增加，证明了优化方案的有效性。

通过CAE方法优化结构设计，不但可以确保达到目标性能指标，也可以为结构的创新设计提供方向，减少设计的反复、缩短设计周期和降低研发成本。CAE的结构优化方法在具体设计中被广泛应用，并取得了不错的经济效益，值得进一步推广。

参考文献：

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