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1、汽车车身结构与设计课程设计 题 目 基于proe的引擎盖建模 及有限元分析 班 级 M10车辆工程 姓 名 学 号 指 导 教 师 绪 论随着社会的快速发展，汽车已成为人类社会生活中不可缺少的工具，汽车工业已成为许多工业发达国家的支柱产业。汽车工业是衡量一个国家工业水平的重要标志，在国民经济中占有重要地位，已被只要工业发达国家和新型工业国家列为国民经济支柱产业。中国汽车工业自1953年起步以来，经过50多年的发展，现已成为汽车生产大国，被国际制造商组织列为世界十大汽车生产国之一。汽车引擎盖的生产是汽车制造的一个重要生产过程。在板材冲压成形技术中，以汽车覆盖件为代表的大型薄板零件的冲压成形技术已
2、发展成为一个很重要的组成部分。汽车覆盖件是汽车车身的重要组成零件，分为外覆盖件和内覆盖件。外覆盖件指的是汽车车身外部的裸露件，这种零件的特点是涂装后不能再添加其他的装饰层。因此，对于外覆盖件的表面质量要求很高。采用有限元法的数值模拟研究板料成形问题始于20世纪70年代。1971年，日本学者Yamada首先将弹塑性有限元方法引入到板料成形模拟中，分析了圆筒形的拉伸问题。同时Hibbitt在Hill有限变形理论基础上采用拉格朗日描述，建立了大变形弹塑性有限元理论。在国外，早在90年代以前板料成形有限元数值模拟技术已经成为汽车生产厂家和模具生产制造公司用来提高产品核心竞争力的必备技术。第一章 引擎盖
3、的特点1.1表面质量引擎盖表面上任何微小的缺陷都会在涂漆后引起光线的漫反射而损坏外形的美观，因此引擎盖表面不允许有波纹、折皱、凹痕、擦伤、边缘拉痕和其他破坏表面美观的缺陷。引擎盖上的装饰棱线和筋条要求清晰、平滑、左右对称和过度均匀。总之引擎盖不仅要满足结构上的功能要求，更要满足表面装饰的美观要求。1.2制造材料采用橡胶发泡棉和铝箔材料制造而成，在降低发动机噪音的时候，能够同时隔离由于发动机工作时产生的热量，有效保护引擎盖表面上的漆面，防止老化。1.3作用1、空气导流。对于在空气中高速运动物体，气流在运动物体周边产生的空气阻力和扰流会直接影响运动轨迹和运动速度，通过引擎盖外形可有效调整空气相对汽
4、车运动时的流动方向和对车产生的阻碍力作用，减小气流对车得影响。通过导流，空气阻力可分解成有益力，力高前轮轮胎对地的力量，有利于车的行驶稳定。流线型引擎盖外观基本是依照这个原理设计的。2、保护发动机及周边管线配件等。引擎盖下，都是汽车重要的组成部分，包括发动机、电路、油路、刹车系统以及传动系统等等。对车辆至关重要。通过提高引擎盖强度和构造，可充分防止冲击、腐蚀、雨水、及电干扰等不利影响，充分保护车辆的正常工作。3、美观。车辆外观设计是车辆价值的一个直观体现，引擎盖作为整体外观的一个重要组成部分，有着至关重要的作用，赏心悦目，体现整体汽车的概念。4 、辅助驾驶视觉。驾驶员在驾驶汽车过程中，前方视线
5、和自然光的反射对驾驶员正确判断路面和前方状况至关重要，通过引擎盖的外形可有效调整反射光线方向和形式，从而降低光线对驾驶员的影响。5 、防止意外。引擎工作在高温高压易燃环境下，存在由于过热或者是原件意外损坏而发生爆炸或者是燃烧、泄露等事故，引擎盖可有效阻挡因爆炸引起的伤害，起到防护盾作用。有效阻隔空气和阻止火焰的蔓延，降低燃烧风险和损失。6、特殊用途平台。特种车辆中，有利用高强度引擎盖作为工作平台，起到支撑作用。第2章 引擎盖结构及其简化模型2.1研究对象研究对象是现代轿车普遍采用的引擎盖，本次研究选取的上海大众帕萨特2003款轿车（见图1.1）的引擎盖作为研究对象，来进行简化研究。简化的引擎盖
6、模型是一种假设，对这一假设进行基于ANSYS的有限元分析，检验该车门结构设计的合理性、可靠性以及是否满足各项技术性能的要求，为引擎盖的设计和优化提供思路和参考依据。图1.12.2 简化原则和步骤原则：(1)尽量减小建模的复杂度；(2)尽量不引起结构的刚度改变。步骤：(1)将对于结构刚度影响较小的附件除去，减少的重量用施加的力补上。(2)简化复杂结构。第3章 在PROE中建立引擎盖三维模型本次研究选取的是上海大众帕萨特2003款，经实际测量长为144cm，宽100cm，引擎盖中心顶点到左右圆弧边长度为74cm，选取厚度为1cm。引擎盖的整体弯度可看成圆弧形状，半径为r=373.79cm。打开pr
7、oe软件，进行拉伸1操作，按照实际测量尺寸画弧面进行草绘，再进行拉伸，如图3.1图3.1进行拉伸2和拉伸3操作，按照实际车体引擎盖的形状，对拉伸1进行拉伸操作，将拉伸1进行切割，切割2次，得出引擎盖的大体形状。见图3.2、图3.3、图3.4和图3.5。图3.2图3.3图3.4图3.5进行拉伸4操作，按照实际车体引擎盖的形状，对引擎盖上边角进行拉伸切割。如图3.6和图3.7。图3.6图3.7将proe的prt格式保存为iges格式（便于在proe软件绘出的图形导入ansys软件中）：执行操作文件-保存副本命令，再在“保存副本”对话框的文件类型栏内选择“iges”的文件格式保存即可。第4章 在AN
8、SYS中对引擎盖进行研究4.1 关于单位、正负和方向为了保证单位统一，列出本文所用到的所有单位，如表2-1所示。后文各项数据将不再标出单位。表2-1 单位名称单位名称单位长度m力N质量kg压力Pa时间s加速度m/s2弹性模量Pa角度泊松比无密度kg/m3正负和方向都取决于ANSYS中的坐标系。4.2 单元类型的确定对于钣金件，比较适用的是shell（壳）单元，可以大大节省计算时间，而且可以达到较高的精度。如果使用shell单元来做分析，那么必须以面的形式来建立车门装配模型。笔者已经尝试过用面的形式来建立车门装配模型，但没有成功。因为，车门零件之间的连接关系，在有些情况下不能用面之间的连接来实现
9、。因此，这里采用了solid（实体）单元，也就是用体的形式来建立车门装配模型，获得了成功。4.3 ANSYS前处理4.3.1导入过程打开ANSYS软件，proe零件导入ANSYS中：从菜单 file import IGES如图4.1，找到之前Pro/E文件的路径打开。图4.14.3.2创建有限元模型进入前处理器并定义单元类型：选取菜单Main MenuPreprocessorElement TypeAdd/Edit/Delete，弹出如图4.2所示，Element Types对话框，单击按钮Add，设置如下： 左边列表框中选择Structural Shell。 右边列表框中选择Elastic
10、4node63。 Element typ ereference number项输入1。图4.2图4.34.3.3定义单元常数选取菜单Main MenuPreprocessorReal ConstantsAdd/Edit/Delete，如图4-2，在Real Constants对话框中单击Add按钮，弹出Element Type for Real Constants对话框，设置如下： Real Constant Set项输入1，即单元实常数编号为1. TK（I）输入0.01（仅仅输入一个节点位置的厚度，其他默认与节点I等厚度）图4.44.4.4定义材料属性选取菜单Maln MenuPreproc
11、essorMaterial Props Material Models,弹出Define Material Model Behavior对话框,在右边Material Models Available框中连续双击选择StructurallinearElasticIsotropic,接着弹出linear Isotropic Properties for Material对话框，设置下列选项。如图4.5l EX项输入6e10。l PRXY项输入0.3。单击OK按钮返回Denne Material Model Behavior对话框，选择该对话框菜单Define Material Model Beh
12、avior MaterialExit。图4.54.4.5给面分配单元属性选择菜单Main MenuPreprocessorMeshingMesh Tool,弹出如图4-4对话框，在Element Attributes下拉列表中选择Areas，单击其后的Set按钮，弹出Area Attributes拾取对话框，单击Pick All按钮，在Area Attributes属性分配对话框，设置下列选项。 MAT Material numbers选择1，即面材料类型为1。 REAL Real constant set number选择1，即面单元实常数为1。 TYP Element type numbe
13、r选择1 shell63，即单元类型为1。 ESYS Element coordinate sys选择0，即面单元坐标系为0号总体直角坐标系。4.4.6执行网络划分 在Mesh Tool对话框中，勾选Smart Size,拖动滚动条到4（数字即为划分单元格大小。数字越大，单元格越大，网格越疏；反之，单元格越小，网格越密，时间也越长。），点击Mesh，弹出Mesh Area拾取对话框，单击Pick All按钮执行网格划分操作。结果如图4.6所示。图4.64.5 施加载荷并执行求解4.5.1进入求解器并选择分析类型选取菜单Main MenuSolutionAnalysis TypeNew Anal
14、ysis，弹出New Analysis对话框，选择Static，单击OK按钮。图4.74.5.2设置载荷步选项选取菜单Main MenuSolutionAnalysin TypeSoln Control,选择Basic选项卡，设置如下选项：Time Control的Time at end of load step项输入1，即终点时间为1。选择Time increment选项，即选择时间增量控制方法。Time step size项输入0.2，即时间增量为0.2。Frequency项选择Write every Nth sub step,即所有载荷子步的结果都输入结果文件。单击OK按钮。4.5.3施
15、加固定边界条件MainMenuSolutionDefineLoadsApplyStructuralDisplacementOn Lines,弹出Apply U,ROT on Lines拾取对话框，鼠标拾取引擎盖内侧边，单OK按钮弹出Apply U,ROT on Lines对话框，在列表中选择All DOF,其他项默认设置。4.5.4施加面域均布压力选取菜单Main MenuSolutionDefine LoadsApplyStructuralPressureOn Areas,弹出Apply PRES on Areas拾取对话框，鼠标点击引擎盖上表面，单击OK按钮弹出Apply PRES on
16、Areas压力对话框，VALUE Load PRES value项输入2000，其他项默认设置，单击OK按钮。图4.8图4.9图4.104.5.5执行求解选取菜单Main MenuSolutionSolveCurrent LS,弹出Solve Current Load Step对话框，同时弹出/STAT Command窗口。阅读/STAT Commend窗口中的载荷步提示信息，如果发现存在不正确的提示，单击/STAT Command窗口菜单/STAT CommandFileClose，关闭/STAT Command窗口，然后单击Solve Current Load Step对话框中Cancel
17、按钮退出求解，修改错误之处。当/STAT Command窗口中所提示无误时，同样关闭/ STAT Command窗口，然后单击Solve Current Load Step对话框中的OK按钮执行求解。当求解结束时，弹出提示信息对话框显示“Solution is done!”,表示求解成功完成。如图4.11显示。图4.114.6 观察总体变形选择菜单Main MenuGeneral PostprocPlot ResultsContour plotNodal Solu,弹出Contour Nodal Solution Data对话框，如图4.12设置下列选项：Item to be contoure
18、d项选择Nodal SolutionDOF soulutionDisplacement vector sum,即选择总位移。Undisplaced shape key项选择Deformed shape only,即只绘制变形结果模型。Scale Factor项选择Auto Calculated，即变形比例缩放尺寸控制，选择自动计算变形比例。单击Additional Options弹出附加选项：Scale Factor contact items项输入1.0，即结果项数值的放大比例系数。Number of facets per slsment edge项选择Corner only。图4.12单击
19、OK按钮，最终得到图4.13变形等值图。图4.13图4.144.7 结果分析通过实际的测量和简化proe三维图的绘画，再经过ANSYS前处理，施加载荷及后处理后得到有效的变形等值图，得到的结果，分析得出此次研究上海大众帕萨特2003款汽车的引擎盖在施加2000N均布压力的情况下，在形状突变的引擎盖边缘两个部分颜色为红色，由此可以看出此处受到的应力应变较大，引擎盖的其他地方设计还可以，在之后的设计时，可在此设计较好应力应变值得加强筋或加强板，以此来改善引擎盖的变形程度。但总体来讲此次研究的引擎盖较为合理的。也为后期的修改完善提供较好的帮助。参考文献1 黄亚娟，丘宏扬，陈松茂.CAD/CAE/CAM技术在汽车覆盖件模具中的应用与发展J.机电工程技术，2004，33（5）：13-15.3 黄金陵.汽车车身设计M.北京：机械工业出版社.2007.4 王泽鹏,胡仁喜,康士延.ANSYS 13.0/LS-DYNA 非线性有限元分析实例指导教程M.北京:机械工业出版社,2011.
