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汽车引擎盖设计及振动分析,汽车,引擎盖,设计,振动,分析
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目录 目 录摘 要Abstract第1章 绪 论11.1引言11.2碳纤维复合材料汽车覆盖件的研究现状21.3本课题研究的目的和意义31.4本文研究的主要内容41.5拟解决的关键问题4第2章 引擎盖的设计52.1汽车引擎盖的作用和结构52.1.1引擎盖的作用52.1.2引擎盖的结构52.2 引擎盖的选材62.2.1选材的意义62.2.2选择的材料72.3 本章小结7第3章 碳纤维引擎盖的结构设计83.1碳纤维复合材料引擎盖的设计83.1.1逆向设计方法83.1.2逆向设计法的注意点83.1.3引擎盖模型的选择83.1.4传统引擎盖的受载93.1.5碳纤维引擎盖模型133.1.6材料的选择143.2引擎盖弯曲刚度的仿真分析153.2.1不同铺层角度对弯曲刚度的影响153.2.2不同铺层顺序对弯曲刚度的影响173.3引擎盖扭转刚度的仿真分析183.3.1不同铺层角度对扭转刚度的影响183.3.2不同铺层顺序对扭转刚度的影响213.4引擎盖模态仿真分析223.4.1 不同铺层角度对模态的影响223.4.2不同铺层顺序对模态的影响243.5两类引擎盖性能的对比263.5.1碳纤维引擎盖的性能263.5.2原引擎盖的有限元分析263.6本章小结32第4章总结334.1研究总结33参考文献34致谢36V 摘要汽车引擎盖的设计及振动分析摘 要随着我国现代化市场经济体系的不断发展和进步，汽车产业的经济也得到了一定的发展和完善。随着新型材料的出现和科学技术水平的提高，在基本物质需求得已满足的前提条件之下，相对于高质量的汽车需求日增。而在汽车引擎盖的材料选择方面则有诸多选择，其中树脂基碳纤维复合材料就是一种特性优良的典型引擎盖材料。其有众多的优良特性，其在刚度、强度、特别是在高腐蚀性以及高温环境下的忍耐性等方面的性质尤为突显。此外，它还具有密度较小的特点。因此，它能够在极大的程度上满足汽车引擎盖的材料需求。在对引擎盖的应用当中，它和能够很好的促进引擎盖力学性能的提高，能够实现其重量的有效降低，从而让整体变得更加的轻简化。本文主要阐述和分析的是汽车引擎盖方面的有关设计和振动原理，在选材上已该复合型材料为主。因此，本文首先分析了该材料在国内和国外当中的应用现状，并阐述了与该材料相关的一些研究和理论。通过国内和国外的比对，得出了我国在该方面的研究和发展与国外的国家还存在着较大差距的结论。进而阐述对该材料进行研究和分析的重要性和意义。而在汽车引擎盖的设计理论当中，本文主要采取的是逆向型的设计方法，即通过让钢制型的和该复合材料制作而成引擎壳在外形上具备一致性的前提下进行分析和设计。进而阐述了能够影响引擎盖性质和特点的一些主要影响因素，主要是基于铺层顺序理论以及铺层角度的分析，最后得出了引擎盖的具体设计方案。在与原有引擎盖的对比之下，本文发现该复合材料虽然在应用当中也存在着一定的缺陷和不足之处，但其在引擎盖的应用方面也具备了许多特殊的优势。关键词：碳纤维复合材料;引擎盖;铺层方案 AbstractDesign and vibration analysis of car hoodAbstractWiththecontinuousdevelopmentandprogressofChinasmodernmarketeconomysystem,theeconomyofautomobileindustryhasbeendevelopedandimproved.Withtheemergenceofnewmaterialsandtheimprovementofscientificandtechnologicallevel,thedemandforbasicmaterialshasbeenmet,andthedemandforhigh-qualityautomobileshasincreased.However,therearemanychoicesinthematerialselectionofcarbonnet,amongwhichtheresinbasecarbonfibercompositematerialisakindoftypicalhoodmaterialwithexcellentproperties.Ithasmanyexcellentproperties,especiallyinrigidity,strength,especiallyinhighlycorrosiveandhigh-temperatureenvironment.Inaddition,ithasthecharacteristicsofsmalldensity.Therefore,itcanmeetthematerialdemandofthecarhoodtoagreatextent.Intheapplicationofthehood,itcanimprovethemechanicalpropertiesofthehoodandreducetheweighteffectively,soastomakethewholemorelightandsimplified.Thispapermainlyelaboratesandanalyzesthedesignandvibrationprincipleoftheautomobilehood,andthecompositematerialisthemainmaterialintheselection.Therefore,thispaperfirstlyanalyzestheapplicationstatusofthismaterialinChinaandabroad,andexpatiatessomeresearchandtheoriesrelatedtothismaterial.Throughthecomparisonbetweendomesticandforeigncountries,itisconcludedthattheresearchanddevelopmentofChinainthisaspectandforeigncountriesstillhavealargegap.Thentheimportanceandsignificanceoftheresearchandanalysisofthismaterialareexpounded.Andinthedesigntheoryofautomobileenginecover,thispapermainlytakesthereversedesignmethod,namelybymakingsteeltypeandthecompositesproducedbyengineshellinshapewiththepremiseofconsistencyanalysisanddesign.Andthenexpoundsthecanaffectthenatureandcharacteristicsofsomemainfactorsinfluencingthehood,mainlybasedonthelayerordertheoryandtheAngleoflayeranalysis,finallyitisconcludedthattheconcretedesignschemeofthehood.Incomparisonwiththeoriginalhood,thispaperfoundthecompositematerialwhilealsoexistinthemiddleoftheapplicationofacertainamountofdefectsandshortcomings,butitsapplicationinthehoodalsohasmanyspecialadvantages.Key words:CFRP;Engine hood;Ply scheme 第1章绪论第1章 绪 论1.1引言当今时代的发展，不仅仅在于信息经济的发展和进步，也在于环境以及能源的发展和改善，资源的有效性问题仍然是当今时代发展的重要问题之一。而一个国家经济水平的发展必然离不开其环境和能源的发展，而一个国家环境以及能源发展的优良与否在很大程度上决定了这个国家是否具备良好的可持续发展能力。随着现代化城市体系的不断巩固和发展，随之而来的环境污染问题也日趋严重，如何让节约能源和减少碳排放的措施在具体生活实践当中发挥实质性的作用受到了世界各国的广泛关注。众所周知，地球上的石油资源是极为有限的，即使该资源还存在着尚未涉足的领域，但人类也不能将其耗用殆尽。据相关数据报告显示，截止2030年止，全球范围内的石油资源预计将会超过一半的被交通运输所消耗，其占用比例高达57%。就像如今的市场发展情况而言，在汽车市场上的需求增速和燃油量需求不变的前提条件之下，我国的汽车需求总量将会在6年之后高于1.5亿，而汽车燃油的年平均消耗方面则会高于2.5亿吨的大关。随着人民生活水平的日渐提高，人们越来越注重汽车的品质和其轻量化。而轻量化的汽车必须能够保持汽车原有的性能水平和质量水平，在这个前提和基础之上，实现对于汽车局部的部件的重量，以及消耗、污染的降低。与此同时，轻量化也非常注重汽车安全性标准的提高，注重对汽车性能的优化和升级，尽可能的使震动以及噪声影响的降低，实现对汽车整体性能的提高和改善。现如今应用于汽车的材料种类丰富，儿女合金是其中的一种重要的减重材料，就其效果而言，其能够达到50%的有效减重率，可见效果极佳。但值得注意的是，由于该材料在制作成本上耗费巨大，而且其工艺较为复杂，导致了其制作的难度较高，此外，一旦其发生损坏或者碰撞，要想实现对原有部件的更换则困难性比较大。因此，在实际生活的应用当中，它也具备了一定的限制性。在经过多种材料的对比分析之后，结合汽车轻量化的要求，基于成本的限制，最终确定的最佳材料及为复合型材料。该材料不仅仅满足于轻量化对于材料的基本需求，而且其在成本效益上具有良好的优势。复合型材料的密度一般都比较小，而且其比刚度较大，其性能也极佳，比强度也较为高，即使是在温度较高或者腐蚀性较强的环境之下，其自身的固有性质基本上不会发生任何改变。在众多的复合型材料当中，CFRP碳纤维复合材料就是其中的一种典型，他满足所有复合材料的基本优势和特征，而且其在航空，汽车，建筑等领域发展空间极为广阔，具有十分良好的潜在市场前景。在汽车车身的组成当中，引擎盖就是一种关键性的覆盖件，它具有独一无二的价值和作用。得益于其结构的设计，汽车能够在运行当中实现对音源和热源的有效隔离。在引擎盖的设计方面也极为讲究。其结构的设计必须要兼具审美性和实用性，必须经过一系列的谨慎而细致的工图绘制，而且必须能够具有提高汽车安全性的重要作用。就现如今引擎盖市场的发展而言，三明治的结构是这类部件应用的最为广泛的设计结构之一，这是一种PUR-GF/PUR发泡结构。标准的设计必须基于一定的模态和相应的刚度，这是一种具有探索性意义和价值的初步创新。1.2碳纤维复合材料汽车覆盖件的研究现状 这类新型的复合型材料在我国是缺乏一定的历史基础。该复合型材料技术的出现主要源自于西方的一些发达国家。在二战时期，出于经济和军事的需要，该复合型材料得到了很好的发展和应用。就汽车车身的前期发展而言，其之前选取的材料单一性程度比较高，普遍应用的都是钣金件，一般都是钢铁制造而成的。这类原有材料的密度相对较大，因此，会在很大的程度上加深机身的重量，这就与现今汽车轻量化的需求相违背。为了能够实现汽车重量的减低，也为了更好地实现能源的节约，以及风阻系数的合理性，国内外的汽车生产和制造部门纷纷对该复合型材料进行了研究和分析。将碳纤维复合材料应用于车身第一家公司，是美国著名的福特汽车公司。其于1969年制造出了全球第一台该材料类型的赛车。随后，该复合材料在汽车上的应用也得到了ACT公司的关注。其在结合了该材料的基本特性的基础之上，研制出了一种特殊的无骨架类型的汽车。但是，人们对于这种复合材料研究重视程度的提高，是来自于全球性第一次的石油危机的出现。该材料的应用经过了几十年的发展，取得了一些丰硕的研究成果。在与该材料相关的学术界当中，普遍认可和支持的观点是该材料在车身覆盖件的应用上具有特殊的优势和良好的性能。在该材料的发展历史进程当中，福特公司对该材料展开的研究和实验规模较大。1977年，该公司成功地将该材料应用于汽车的传动轴以及引擎罩等众多不同的零部件上。不到一年之后的时间里，福特公司又成功的将开材料应用于汽车车身的20多个零部件当中。据历史数据调查显示，在1980年，福特公司在其设计的该材料类型的样车上，较之于原有的设计，其重量减轻了33%，从原有的1.69吨变成了现如今的1.13吨，其替换的仅仅是0.32吨的原有钢板。而在21世纪之初，欧洲也掀起了该材料应用的热潮，著名的研究项目TECABS研究的就是该材料在汽车当中的应用。这个项目出现的目的在于提高汽车机身的轻量化程度，能够有相得降低机身的重量，也在于实现二氧化碳排放量的降低，实现节能减排和更好地利用有限的能源。在全球范围内的众多国家和供应商都纷纷加入了该项目研究，其中不乏世界知名的供应商雷诺、大众、沃尔玛，而且还有像瑞士、法国，德国等众多嗯，发达国家的重要科研机构。就我国在该材料领域当中的发展而言，我国在汽车行业上对于该材料的应用相对较少，该材料的应用几乎没有涉及汽车今生的覆盖件。虽然我国汽车产业对于该材料具有一定程度的应用，但大多都是来自于国外的。复合材料应用于汽车车身当中，东风小王子研制的汽车就是一个很好的典例。其制造的汽车车身材料以玻璃纤维为主，基于手糊工艺，实现了该材料与汽车零部件的有机结合。由此可见，在该复合材料上的发展与应用，特别是在汽车产业当中的覆盖件等相关零部件的应用上，还承载着极为广阔的发展空间。材料的应用往往离不开其工艺的提高和发展。加工工艺的水平高低在很大程度上对复合材料最终的性质优良起到一定的关键性和决定性作用。复合材料，要想实现有效的应用，必须要基于其加工工艺的提高和改善，从而能够推动其应用的发展。此外，工艺的好坏与材料的成本之间也具有重要的联系。我国在复合材料的领域当中，还是存在着一定的优势地位的。随着我国复合材料产业的发展和进步，加工工艺技术的成熟和完善，都能够对新型的复合材料起到一定的借鉴作用和价值。复合材料的应用可以基于原有的工艺和经验，从而实现该应用广度和深度的提升。我国在复合材料的加工领域当中，其成型方法不断得以创新和发展。就现今的发展而言，基于树脂成型的复合材料具有多种不同的成型类型，诸如RTM成型、拉挤成型、喷射成型、手糊成型等。由于我国的复合材料技术水平，相较于国外发达国家而言具有一定的滞后性，姑手糊成型是我国最主要的一种成型工艺，也是一种应用较为广泛的工艺之一。但是，随着我国经济技术的发展和进步，随着我国能源利用和环境保护意识的提高，传统意义上的手糊成型工艺有可能会被其他先进的成型工艺所取代，而该成型工艺的发展也会越来越多的关注到对生产效率的提高，对资源利用率的提高，对成本费用的降低，以及对环境的保护上。1.3本课题研究的目的和意义在一些发展水平相对较高国家和地区，碳纤维到了有效而广泛的应用，其加工工艺和制造技术的成熟度也相对较高。但大多都是应用于比较高级的轿车或者性能需求比较高的跑车上，而对于普通轿车的应用则相对较少。这在很大的程度上是因为碳纤维应用在汽车上的加工工艺技术要求高，具备一定的复杂程度，因此，其与材料相关的成本和费用支出也相对较高。与国外有所不同的是，我国在汽车材料的应用领域当中，碳纤维的市场相对较为狭窄，没有得到很好的推广和应用。本文研究的主要核心在于基于复合材料的汽车覆盖件设计应用上。因此，必须对该材料进行相关的阐述和分析，这也是研究其应用的首要环节。1.4本文研究的主要内容本文主要对汽车引擎盖的结构设计进行了相应的阐述和分析，基于逆向设计的设计方法，结合碳纤维复合材料的性能对该部件进行设计。逆向型的设计方法，简单的来说，就是基于原有的引擎盖材料结构，将该复合型材料与引擎盖进行有机结合，简化设计，从而实现实质性的设计转变。设计的完成，必须经过实践和理论的检验。因此，借助于仿真软件的功能和作用，本文还从该材料的铺层顺序及角度论述了该材料的应用对引擎盖在性能方面的作用和影响。论文的最后，基于对比分析的方法，将该复合材料型的引擎盖与原有的钢制型的引擎盖进行了模态上和刚度上的对比分析，阐述了该材料在应用方面上的不足，并提出了一些能够解决该问题的方法建议。1.5拟解决的关键问题基于三明治型的结构原理和该材料在是模态和刚度上的性质原理，在该复合材料与引擎盖相结合的过程当中，必须对铺成的顺序和角度进行合理地确定和分析37 第2章引擎盖的设计第2章 引擎盖的设计2.1汽车引擎盖的作用和结构2.1.1引擎盖的作用汽车机身的完整性离不开覆盖件的支持和配备。覆盖件作为汽车当中的零部件之一，主要位于汽车的外壳上，具有一定的装饰作用，能够提高机身整体的美观性。而在类型众多的汽车的覆盖件当中，引擎盖具有关键性的地位和价值，其配置主要面向于汽车的行李舱，车顶以及引擎。在汽车运行的过程当中，引擎盖的存在具有重要的作用和意义。以下几个方面是对其作用的分析和阐述。1.引擎盖的存在空气流向具有良好的调节作用，其具备一定的空气导流作用。汽车在运行的过程当中，由于其运转具有速度极高的特点，而周围的空气相对流速较小，在这样的速度差距下会产生一定的空气扰流和阻力，对于汽车运动的速度和轨迹起到一定的直接作用。而处于汽车外形上的引擎盖，能够对空气流的方向和阻力进行一定的调整。2.引擎盖能够很好的保护其涵盖的零配件。在引擎盖之下，刹车、电路、发动机等都是重要的汽车组成。得益于引擎盖的存在，这些零部件能够不受到雨水等外界物质的侵蚀和影响。3.引擎盖出在机身的外形上，经过多年的发展和完善，其设计基于一定的美学原理，因而具有一定的审美性。4.能够对驾驶员的驾驶起到一定的辅助作用。在汽车运行的过程当中，驾驶员免不了受到外界光线的反射作用，进而无法明确的对路面状况做出准确的判断。而引擎盖的出现恰好可以减弱该作用的强度。5.引擎盖的材质一般都具有耐高温的特性。因此，在遇到温度较高或者电压较高的易燃的环境之下，那能够对火源起到一定的阻隔作用，可以以保护人身安全。6.引擎盖的设计，在某种程度和意义上来说具有一定的平面效用，能够当做一个特殊的平台来进行使用。2.1.2引擎盖的结构随着现代制造工艺的发展，当今的引擎盖在结构精度上要求较高，加工工艺也相当复杂，三明治结构是应用的最为广泛的结构之一。该结构是一种特殊的三层结构，其上下两层分别有以合金或者是钢板制造而成的内外板构成，有隔材料着填充于其间，因而被形象化的称之为三明治。这种材料结构能够最大限度地满足车身的刚性要求，材料的选用一般由厂家决定，骨架形式是内板形状的一般形式。其结构外形大致如下。 图2-1汽车引擎盖的内外板2.2 引擎盖的选材2.2.1选材的意义现代化的能源问题和环境问题相当突显，而这也是有待人类解决的重要问题之一。环境的污染给人类带来了巨大的破坏性，部分能源和资源是具有不可再生性的，如果将其消耗殆尽，就无法实现其有效供给，甚至有可能威胁人类的存在。因此，对于能源和环境的保护就显得尤为重要了。而在汽车产业当中，必须消耗大量的燃油，如果能够实现轻量化，这能够在很大程度上降低燃油的使用量，能够有效地实现能源的节约。汽车的质量与油耗之间存在着一定的正相关关系，降低汽车的质量，就意味着汽车油耗的减少。据国际数据显示，汽车如果能在质量上实现10%的降低，其相应的燃油消耗量将会实现6%到8%的减少。而汽车轻量化具有诸多优势，他不仅仅能够使汽车的重量下降，而且能够促进汽车稳定性的改善，还能够对其驾驶性能起到一定的优化作用，能够减少振动和噪声的不利影响和作用。值得一提的是，一旦发生由于碰撞产生的安全事故，汽车的惯性将会得到减少，制动距离也会相对较小，从而能够减少碰撞带来的损失和伤害，在一定程度上对于提高汽车的安全性具有十分重要的意义和价值。因此，实现汽车的轻量化就显得尤为必要了，它不仅有利于能源的节约，还有利于促进我国汽车产业的可持续发展。钢制引擎盖虽也有一定的优势，可出于这种钢材固有性质的局限性，其无法满足轻量化厚度和刚性的需求，其平缓的形状存在着一些缺陷和不足之处。这就给我国汽车的轻量化程度的提高带来了一定的阻碍作用，而且还增加了一定的变革成本。因此，想要实现汽车轻量化程度的提高，必须从选材上着手，必须注重材料的固有特性，必须满足轻量化对于当度以及强度的力学需求。本文采用的复合型材料恰好能够与之相匹配，对提高汽车的轻量化程度具有积极的促进作用。2.2.2选择的材料基于材料的性质要求和成本经济效益原则，为了实现轻量化程度的提高，进一步减少燃油的消耗量，提高燃油的有效利用率，实现汽车制造整体成本的经济性，本文选取了碳纤维复合材料作为引擎盖的主要制作材料。该材料不仅能够满足以上需求，而且其性能极佳，它的比刚度较高，其密度也较小，非常的耐腐蚀和耐高温，具有良好的比刚度，是一种非常优质的轻量化的复合材料。2.3 本章小结本文主要分两方面，对引擎盖的选材进行了介绍和阐述。第一个方面在于其作用和结构的介绍上，从现今汽车引擎盖的材料现状出发，提出轻量化的问题。第二个方面，主要对材料的选择进行了介绍和阐述，分析了其性质特点和轻量化程度提高的需求。 第3章碳纤维引擎盖的设计第3章 碳纤维引擎盖的结构设计3.1碳纤维复合材料引擎盖的设计3.1.1逆向设计方法逆向设计的方法来自于逆向工程的出现和存在。这种设计方法，基于进一步地了解和剖析原有的物质原理，实现原实体的再创造。该设计主要由三个具体步骤组成，其一是制造出磨具或者是相应的产品，其二在于重新构建CAD的模型，其三则在于实现数字化的几何外形。3.1.2逆向设计法的注意点(l)必须剔除坏点。在对模型进行构建的过程当中，难免会出现一些坏点，影响到设计的最终呈现。(2)曲面块的划分必须具备一定的合理性，必须基于特征线和原有设计意图进行合理规划。(3)科学评估可考察曲面的质量水平，及时对质量不高的曲线做出相应的合理调整，力求提高曲面的整体质量水平。(4)遵循构建的一般顺序和基本思路。在构建的过程当中，小面的构建必须在大面之后进行，小面不可以应用在能够借助大面进行构建的曲面上。此外，在圆弧面的构建上，圆角的处理必须后置于基本平面的构建。(5)合理控制曲面的连续连续性，注重部件之间的流程斜街。3.1.3引擎盖模型的选择本文的模型选择以奥迪汽车的引擎盖为例，其模型如下所示。 图3-1引擎盖模型 相应参数如下：表3-1原引擎盖模型的参数密度（g/cm）泊松比弹性模量（GPa）厚度（mm）内板7.80.32100.8外板7.80.32100.7夹心53.1.4传统引擎盖的受载汽车的运行和使用会给引擎盖施加一定的作用力，在一定程度上会导致其形状的改变，或者是带来一定的振动。依据相关研究，其受载分析如以下的约束和载荷模型所示。（1） 引擎盖安装变形分析约束：主要在于对自由度的限制性作用上，对于不同的部位有不同向的限制。其施加的约束一般都在螺栓孔和安装孔上。两者的移动自由度的限制都体现在 X、Y以及Z向上，而对转动自由度的限制则不同，前者体现在X和Z 上，而后者则在X、Y以及Z向上。加载：会对其锁插销的地方产生重力作用，形成重力载荷。其模型如下。 安装变形模型（2） 引擎盖边缘变形模型约束：这种限制作用与安装变形的模型基本一致，都是施加在与前端的缓冲块相对应的安装孔和与应用于铰链安装的螺栓孔上，其对自由度的指向限制情况也是一致的。加载：重力载荷的施加主要集中在 rear beam以及 side beam 上。其模型如下。 边缘变形模型（3） 引擎盖下拉变形分析约束：该限制作用与以上的模型相一致。加载：重力载荷的施加主要集中在锁插销的地方。其模型如下。 下拉变形模型（4）引擎盖扭转刚度分析约束：该限制作用与以上的模型相一致。加载：重力载荷的施加主要集中在安装孔的 Z 向上，该处居于左前方的缓冲块上。其模型如下。 扭转刚度模型(5) 引擎盖的冲击分析约束：该限制作用与以上的模型相一致。加载：重力载荷的施加主要集中在引擎盖总成上，具有一定的重力加速度。其模型如下。冲击分析模型（6） 引擎盖手掌压痕分析约束：这种限制作用与以上模型有不同之处。其在铰链安装的螺栓孔上的施加作用相同，但它没有施加在安装孔上，而是施加在锁扣处。加载：重力载荷的施加主要集中在引擎盖总成上，施加区域为100100mm ，重力大小为450N。其模型如下。 手掌压痕模型（7）引擎盖凹陷刚度分析约束：这种限制作用与手掌压痕模型相同。其都在铰链安装的螺栓孔上锁扣处进行施加作用。加载：重力载荷的施加主要集中在引擎盖总成后端上，施加区域为7575mm ，重力大小为90N。其模型如下。 凹陷刚度模型以上是传统引擎盖的受载情况，通过限制引擎盖的自由度，对引擎盖的不同地方施加压力，通过CAE分析得出引擎盖的受载情况。我们主要要研究的就3种受载情况：（1） 弯曲刚度 对其铰链的一端的移动和转动的自由度施加三X.Y.Z方向的限制作用，实施全方位的约束，再将200N的垂直载荷施加在其铰链的另外一端上。 引擎盖的弯曲工况（2）扭转刚度在引擎盖的铰链上的移动自由度施加三X.Y.Z方向的限制作用，其另外的一端的中点也相同。此外，再使得中部的两侧形成力偶，对其分别施加100N的重力载荷。 扭转工况（1） 模态分析在铰链处和另一端中点出均限制三个方向的移动自由度，分析其一阶和二阶模态频率。在引擎盖的铰链上的移动自由度施加三X.Y.Z方向的限制作用，其另外的一端的中点也相同，进而分析其一阶模态的频率以及二阶模态的频率。 模态工况3.1.5碳纤维引擎盖模型本文的设计模型以“三明治”的结构为主，借助 CAD 软件进行模拟创建。碳纤维复合材料引擎盖的尺寸参数结构厚度（mm）外板1夹芯10内板1蜂窝夹层结构的结构见图： 碳纤维复合材料引擎盖模型3.1.6材料的选择(1) 增强材料在选择这种材料的过程当中，必须重视对其性能的考虑，也必须注重其寿命的长短与否，刚度的大小与否，强度的高低与否，还必须考虑到其可获得性的高低，环保性能的好坏。本文综合了以上各方面的考虑因素，基于成本效益原则，选择了如下材料，其性能参数如下。T300和玻璃纤维的性能参数材料名称玻璃纤维T300拉伸强度（MPa）175021503530弹性模量（GPa）6080230密度（g/cm）6纤维直径（m）77（2） 基体材料基体材料类型众多，树脂、陶瓷、以及金属类型的基体都是比较重要的基体材料。本文在对以上基体材料进行研究和比对之后，最终决定在基体材料的选用上以5208型的环氧树脂为主。环氧树脂5208的性能参数线膨胀系数（1/K）弹性模量（GPa）密度(g/cm)弹性模量（GPa）拉伸强度（MPa）5910-85结合以上选择的两种材料，得到本文设计的复合材料，其性能参数如下。T300/5208的力学性能参数E1(GPa)E2(GPa)E3(GPa)U21U32U31G12(GPa）18110.310.30.280.30.287.17G23(GPa）G13(GPa）Xt(MPa）Xc(MPa)Yt(MPa）Yc（MPa）S(MPa）3.787.17150015004024668（3） 夹芯材料在对中间材料进行选择的时候，必须注重其适用性，而这种PUR聚氨酯类型的泡沫塑料不仅仅性能极佳，具备良好的耐热、耐寒、耐火等特点，而且完全符合本文的设计需求，其相关数据如下所示。聚氨酯泡沫塑料性能参数密度（g/cm）剪切模量（MPa）泊松比弹性模量（MPa）0.5380.31003.2引擎盖弯曲刚度的仿真分析3.2.1不同铺层角度对弯曲刚度的影响本设计模型的受载即下图所示。以铺层的x轴上的方向作为0的铺层角，在5个不同的节点上分配200N的作用力。 弯曲载荷的承受示意图 对A、B 两点和它们中间的线实施三方向的自由度约束，选择0/0/0/0/0作为本文的铺层方案，施加200N的作用力在Y轴的负方向上，该Y轴处于另外一端的中点上，进行仿真模拟，下图即为位移结果：Y方向在0/0/0/0/0铺层角度设置下的位移云图不同的铺层角度，会出现不同程度的变形。0.016497m是在Y 方向上发生的最大程度的变形。铺层角度与其最大变形由以上的最大变形曲线如下：不同铺层角度下沿受力方向最大变形曲线从上面的变化趋势中，可以发现铺层角度与变形之间具有一个45的分界点，在其左边，变形会增大，在其右边，变形迅速变小。最小变形在铺层角度接近90时才能实现。3.2.2不同铺层顺序对弯曲刚度的影响本文的铺层顺序选为0/45/-45/60/-60，示意图如下：0/45/-45/60/-60的铺层顺序材料1和2分别是碳纤维布和泡沫塑料，只有第 6 层选用的是泡沫塑料，其余均为碳纤维布。以下是该材料组合在不同铺层顺序下的模拟仿真变形分析的结果。不同顺序下沿受力方向最大变形曲线由以上可知，方案 4变形为 0.0064914m，是最大值，而方案 8变形为 0.0063351m，是最小值。在 90/90/90/90/90的铺层方案中，变形最小为0.0072250m，已久超过了方案 4。对以上方案进行对比和分析，结果显示60对表层的靠近程度超过了45，而且变形程度也较小。进而能够推断混合铺层中的变形量在受到具有一致性的约束和载荷作用下，表层的靠近越高，变形也越小。因此，本文的设计选用大角度的铺层设计，力求更加接近表层。3.3引擎盖扭转刚度的仿真分析3.3.1不同铺层角度对扭转刚度的影响对A、B、C处实施三方向的自由度约束，施加100N的作用力在 E 和 F 上，力偶的形成能够让Z 轴成为引擎盖的旋转轴。扭转载荷示意图0铺层下的Z 轴转角：0/0/0/0/0铺层下 Z 方向的扭转角云图铺层的角度的不同会引起Z 轴转角的不同。铺层角度及其 Z 方向扭转角度由下表得曲线如下：铺层角度及其 Z 方向的最大扭转角度从上面的变化趋势中可以看到铺层角度对扭转角度的影响相当大。3.3.2不同铺层顺序对扭转刚度的影响不同的铺层顺序也会产生扭转刚度的不同，仿真数据如下： 相应图像如下： 不同铺层顺序下沿 Z 方向最大扭转角度由上面的图像可知，最大扭转角在方案 10 中得以实现，而最小扭转角在方案 6中得以实现.由此可见，铺层角度的减小更加有利于扭转刚度的提高。3.4引擎盖模态仿真分析3.4.1 不同铺层角度对模态的影响铺层角度的不同会影响到引擎盖的模态，施加三方向的约束于 A、B、C上，示意图如下：模态约束外板在0/0/0/0/0下的 16 阶的模态频率：0/0/0/0/0铺层的 16 阶模态模态振型如下：铺层为0/0/0/0/0时的一阶和二阶振型1、 二阶模态与铺层角度的关系如下前两阶模态如图所示：不同铺层角度下的引擎盖的一阶和二阶模态 从上面的图像知，模态频率与铺层角度存在一定的正相关关系。3.4.2不同铺层顺序对模态的影响 仿真结果如下：不同铺层顺序下的引擎盖的一阶和二阶模态从上面的图像中可以看到，铺层顺序和模态频率的大小存在的联系不大，而铺层角度则恰恰相反。因此，为满足设计需求，选铺层角度大的模型更加合适。3.5两类引擎盖性能的对比3.5.1碳纤维引擎盖的性能以90/45/0/-45/90为铺层方案,其变形以及模态如下：铺层方案90/45/0/-45/90的变形和模态受弯曲载荷时Y方向的变形（m）受扭转载荷时Z方向的扭转角度（rad）约束下的模态频率（Hz）0.0058510.002954一阶二阶38.97550.8203.5.2原引擎盖的有限元分析（1）首先通过SolidWorks 2013软件设计建立引擎盖模型，如下图所示： 引擎盖模型（2）建立有限元的模型：其实体单元为四面体，疏密相间，有217170个节点，117455个单元，如图所示。有限元模型（3）引擎盖弯曲刚度仿真固定约束引擎盖两个后支点（紫色），在引擎盖前（红色处）端施加竖直向下的力200N，如下图所示：计算结果如下：最大应力在支点处最大为24.788MPa，远低于所用材料屈服极限，其他区域应力很小。弯曲刚度仿真等效应力最大位移在引擎盖前端最大为0.86285mm，满足应用要求。弯曲刚度仿真位移（4） 引擎盖扭转刚度仿真：同样固定约束引擎盖两个后支点（紫色），在引擎盖前两侧（红色处）分别施加竖直向下和向上的力100N，以施加扭矩载荷，如下图所示：计算结果如下：最大应力在支点处最大为3.3125MPa，远低于所用材料屈服极限，其他区域应力很小。扭转刚度仿真应力图最大位移在引擎盖前端两侧，最大为0.17666mm，满足应用要求。扭转刚度仿真位移图（5） 模态分析固定约束引擎盖两个后支点（黄色处）和前端固定点（紫色处），如下图所示，对引擎盖前进行模态分析。计算结果如下：计算结果显示引擎盖的前误解固有频率分别为：1阶固有频率67.163Hz、2阶固有频率76.941Hz、3阶固有频率114.47Hz、4阶固有频率132.59Hz。分析结算结果表明，引擎盖前几阶固有频率远高于车辆的背景激振频率（一般小于10Hz），低于发动机的激振频率（150Hz以上），因此该引擎盖设计模态分析符合应用要求。1阶固有频率仿真应力如下图所示，应力值在三个固定点处较大，最大为570.79MPa，其他区域应力很小，此应力值无应用价值，只反映应力最大点出现的位置。依据分析结果，三个支点位置结构材料应选用屈服极限较高的材料。1阶固有频率仿真应力图1阶固有频率仿真位移如下图所示，位移值在引擎盖前端两侧最大，最大为7.0219mm，此位移值同样无应用价值，只反映应力最大点出现的位置。1阶固有频率仿真位移图2阶固有频率仿真应力、位移如下图所示。2阶固有频率仿真应力图2阶固有频率仿真位移图就弯曲变形这一方面的分析，碳纤维引擎盖略微优于原有钢制的引擎盖，前者弯曲变形为0.005851m，合为 5.851mm，而后者弯曲变形为0.005879m，合为 5.897mm。两者在该方面的差异性比较小。而就扭转变形这一方面的分析，它们也同样存在不大的差异性。前者的扭转变形为 0.002954rad，而后者的扭转变形为0.00272rad，0.01是两者的差值转化角。而就尺寸大小这一方面的分析，两者在该方面的差异性也不算显著。就模态频率这一方面的分析，一阶模态上的差异性也不算大，但是二阶模态中，前者的优势就得到显现了。但较为值得一提的是，采用碳纤维复合材料制作而成的引擎盖在厚度上的优势远远超过了原有的钢制而成的引擎盖，以几乎两倍的厚度优势实现超越，前者厚度高达12mm，后者则是其中的一半多一点即 6.5mm，而且减重幅度实现了40%的高比例。3.6本章小结本章主要基于引擎盖结构的设计原理，以逆向的设计方法作为主要的研究方法，重在在对铺设角度和铺设顺序的研究和分析，结合内板、外板和中间层的材料选择和结构设计，以及其发生扭转和变形的作用原理，讨论了其对实现其汽车轻量化的作用和影响。并将本文设计的采用复合型材料的引擎盖与原有的用钢制作而成的引擎盖进行对比分析，得出了该复合材料类型的引擎盖优于原有引擎盖的重要结论。此外，本文还得出了一些相关的重要联系，比如铺层角度的大小往往与弯曲刚度和模态频率的大小形成正相关关系，而铺层角度的大小往往与扭转刚度的大小具有负相关关系，单一的铺层结构往往都无法在性能上实现对混合铺成的超越，而且，一般而言，引擎盖的弯曲度、模态等方面的影响下，铺层顺序的改变并无多大起效。 第4章总结第4章总结4.1研究总结在引擎盖的制作领域当中，该复合型材料的应用在促进汽车轻量化实现的方面具有一定的探索和实践意义，也具备一定的创新借鉴价值。这种复合型材料具备了多方面的优势性能。其在提高汽车轻量化方面具有有效的促进作用，它能够有效地实现对机身重量的降低，在本文论述的设计当中，较之于原有引擎盖的重量，该材料实现了占比为40%的重量减轻，可见其对于减重起到的效果极佳。其中，尤为值得一提的是，该复合型材料不仅仅能够有效的降低车身的重量，与此同时，其还能够在极大的程度之上保持机身的原有性能不变，甚至，它还能在一定
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