汽車(chē)引擎蓋設(shè)計(jì)及振動(dòng)分析
汽車(chē)引擎蓋設(shè)計(jì)及振動(dòng)分析,汽車(chē),引擎蓋,設(shè)計(jì),振動(dòng),分析
目錄
目 錄
摘 要 Ⅲ
Abstract Ⅳ
第1章 緒 論 1
1.1引言 1
1.2碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)覆蓋件的研究現(xiàn)狀 2
1.3本課題研究的目的和意義 3
1.4本文研究的主要內(nèi)容 4
1.5擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題 4
第2章 引擎蓋的設(shè)計(jì) 5
2.1汽車(chē)引擎蓋的作用和結(jié)構(gòu) 5
2.1.1引擎蓋的作用 5
2.1.2引擎蓋的結(jié)構(gòu) 5
2.2 引擎蓋的選材 6
2.2.1選材的意義 6
2.2.2選擇的材料 7
2.3 本章小結(jié) 7
第3章 碳纖維引擎蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 8
3.1碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的設(shè)計(jì) 8
3.1.1逆向設(shè)計(jì)方法 8
3.1.2逆向設(shè)計(jì)法的注意點(diǎn) 8
3.1.3引擎蓋模型的選擇 8
3.1.4傳統(tǒng)引擎蓋的受載 9
3.1.5碳纖維引擎蓋模型 13
3.1.6材料的選擇 14
3.2引擎蓋彎曲剛度的仿真分析 15
3.2.1不同鋪層角度對(duì)彎曲剛度的影響 15
3.2.2不同鋪層順序?qū)澢鷦偠鹊挠绊?17
3.3引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度的仿真分析 18
3.3.1不同鋪層角度對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響 18
3.3.2不同鋪層順序?qū)εまD(zhuǎn)剛度的影響 21
3.4引擎蓋模態(tài)仿真分析 22
3.4.1 不同鋪層角度對(duì)模態(tài)的影響 22
3.4.2不同鋪層順序?qū)δB(tài)的影響 24
3.5兩類(lèi)引擎蓋性能的對(duì)比 26
3.5.1碳纖維引擎蓋的性能 26
3.5.2原引擎蓋的有限元分析 26
3.6本章小結(jié) 32
第4章總結(jié) 33
4.1研究總結(jié) 33
參考文獻(xiàn) 34
致謝 36
V
摘要
汽車(chē)引擎蓋的設(shè)計(jì)及振動(dòng)分析
摘 要
隨著我國(guó)現(xiàn)代化市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體系的不斷發(fā)展和進(jìn)步，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)也得到了一定的發(fā)展和完善。隨著新型材料的出現(xiàn)和科學(xué)技術(shù)水平的提高，在基本物質(zhì)需求得已滿足的前提條件之下，相對(duì)于高質(zhì)量的汽車(chē)需求日增。而在汽車(chē)引擎蓋的材料選擇方面則有諸多選擇，其中樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料就是一種特性優(yōu)良的典型引擎蓋材料。其有眾多的優(yōu)良特性，其在剛度、強(qiáng)度、特別是在高腐蝕性以及高溫環(huán)境下的忍耐性等方面的性質(zhì)尤為突顯。此外，它還具有密度較小的特點(diǎn)。因此，它能夠在極大的程度上滿足汽車(chē)引擎蓋的材料需求。在對(duì)引擎蓋的應(yīng)用當(dāng)中，它和能夠很好的促進(jìn)引擎蓋力學(xué)性能的提高，能夠?qū)崿F(xiàn)其重量的有效降低，從而讓整體變得更加的輕簡(jiǎn)化。
本文主要闡述和分析的是汽車(chē)引擎蓋方面的有關(guān)設(shè)計(jì)和振動(dòng)原理，在選材上已該復(fù)合型材料為主。因此，本文首先分析了該材料在國(guó)內(nèi)和國(guó)外當(dāng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并闡述了與該材料相關(guān)的一些研究和理論。通過(guò)國(guó)內(nèi)和國(guó)外的比對(duì)，得出了我國(guó)在該方面的研究和發(fā)展與國(guó)外的國(guó)家還存在著較大差距的結(jié)論。進(jìn)而闡述對(duì)該材料進(jìn)行研究和分析的重要性和意義。而在汽車(chē)引擎蓋的設(shè)計(jì)理論當(dāng)中，本文主要采取的是逆向型的設(shè)計(jì)方法，即通過(guò)讓鋼制型的和該復(fù)合材料制作而成引擎殼在外形上具備一致性的前提下進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。進(jìn)而闡述了能夠影響引擎蓋性質(zhì)和特點(diǎn)的一些主要影響因素，主要是基于鋪層順序理論以及鋪層角度的分析，最后得出了引擎蓋的具體設(shè)計(jì)方案。
在與原有引擎蓋的對(duì)比之下，本文發(fā)現(xiàn)該復(fù)合材料雖然在應(yīng)用當(dāng)中也存在著一定的缺陷和不足之處，但其在引擎蓋的應(yīng)用方面也具備了許多特殊的優(yōu)勢(shì)。
關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;引擎蓋;鋪層方案
Abstract
Design and vibration analysis of car hood
Abstract
With?the?continuous?development?and?progress?of?China's?modern?market?economy?system,?the?economy?of?automobile?industry?has?been?developed?and?improved.?With?the?emergence?of?new?materials?and?the?improvement?of?scientific?and?technological?level,?the?demand?for?basic?materials?has?been?met,?and?the?demand?for?high-quality?automobiles?has?increased.?However,?there?are?many?choices?in?the?material?selection?of?car?bonnet,?among?which?the?resin?base?carbon?fiber?composite?material?is?a?kind?of?typical?hood?material?with?excellent?properties.?It?has?many?excellent?properties,?especially?in?rigidity,?strength,?especially?in?highly?corrosive?and?high-temperature?environment.?In?addition,?it?has?the?characteristics?of?small?density.?Therefore,?it?can?meet?the?material?demand?of?the?car?hood?to?a?great?extent.?In?the?application?of?the?hood,?it?can?improve?the?mechanical?properties?of?the?hood?and?reduce?the?weight?effectively,?so?as?to?make?the?whole?more?light?and?simplified.
This?paper?mainly?elaborates?and?analyzes?the?design?and?vibration?principle?of?the?automobile?hood,?and?the?composite?material?is?the?main?material?in?the?selection.?Therefore,?this?paper?firstly?analyzes?the?application?status?of?this?material?in?China?and?abroad,?and?expatiates?some?research?and?theories?related?to?this?material.?Through?the?comparison?between?domestic?and?foreign?countries,?it?is?concluded?that?the?research?and?development?of?China?in?this?aspect?and?foreign?countries?still?have?a?large?gap.?Then?the?importance?and?significance?of?the?research?and?analysis?of?this?material?are?expounded.?And?in?the?design?theory?of?automobile?engine?cover,?this?paper?mainly?takes?the?reverse?design?method,?namely?by?making?steel?type?and?the?composites?produced?by?engine?shell?in?shape?with?the?premise?of?consistency?analysis?and?design.?And?then?expounds?the?can?affect?the?nature?and?characteristics?of?some?main?factors?influencing?the?hood,?mainly?based?on?the?layer?order?theory?and?the?Angle?of?layer?analysis,?finally?it?is?concluded?that?the?concrete?design?scheme?of?the?hood.
In?comparison?with?the?original?hood,?this?paper?found?the?composite?material?while?also?exist?in?the?middle?of?the?application?of?a?certain?amount?of?defects?and?shortcomings,?but?its?application?in?the?hood?also?has?many?special?advantages.
Key words:CFRP;Engine hood;Ply scheme
第1章緒論
第1章 緒 論
1.1引言
當(dāng)今時(shí)代的發(fā)展，不僅僅在于信息經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和進(jìn)步，也在于環(huán)境以及能源的發(fā)展和改善，資源的有效性問(wèn)題仍然是當(dāng)今時(shí)代發(fā)展的重要問(wèn)題之一。而一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)水平的發(fā)展必然離不開(kāi)其環(huán)境和能源的發(fā)展，而一個(gè)國(guó)家環(huán)境以及能源發(fā)展的優(yōu)良與否在很大程度上決定了這個(gè)國(guó)家是否具備良好的可持續(xù)發(fā)展能力。?隨著現(xiàn)代化城市體系的不斷鞏固和發(fā)展，隨之而來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題也日趨嚴(yán)重，如何讓節(jié)約能源和減少碳排放的措施在具體生活實(shí)踐當(dāng)中發(fā)揮實(shí)質(zhì)性的作用受到了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。眾所周知，地球上的石油資源是極為有限的，即使該資源還存在著尚未涉足的領(lǐng)域，但人類(lèi)也不能將其耗用殆盡。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)報(bào)告顯示，截止2030年止，全球范圍內(nèi)的石油資源預(yù)計(jì)將會(huì)超過(guò)一半的被交通運(yùn)輸所消耗，其占用比例高達(dá)57%。就像如今的市場(chǎng)發(fā)展情況而言，在汽車(chē)市場(chǎng)上的需求增速和燃油量需求不變的前提條件之下，我國(guó)的汽車(chē)需求總量將會(huì)在6年之后高于1.5億，而汽車(chē)燃油的年平均消耗方面則會(huì)高于2.5億噸的大關(guān)。?
隨著人民生活水平的日漸提高，人們?cè)絹?lái)越注重汽車(chē)的品質(zhì)和其輕量化。而輕量化的汽車(chē)必須能夠保持汽車(chē)原有的性能水平和質(zhì)量水平，在這個(gè)前提和基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)對(duì)于汽車(chē)局部的部件的重量，以及消耗、污染的降低。與此同時(shí)，輕量化也非常注重汽車(chē)安全性標(biāo)準(zhǔn)的提高，注重對(duì)汽車(chē)性能的優(yōu)化和升級(jí)，盡可能的使震動(dòng)以及噪聲影響的降低，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)整體性能的提高和改善。
現(xiàn)如今應(yīng)用于汽車(chē)的材料種類(lèi)豐富，兒女合金是其中的一種重要的減重材料，就其效果而言，其能夠達(dá)到50%的有效減重率，可見(jiàn)效果極佳。但值得注意的是，由于該材料在制作成本上耗費(fèi)巨大，而且其工藝較為復(fù)雜，導(dǎo)致了其制作的難度較高，此外，一旦其發(fā)生損壞或者碰撞，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)原有部件的更換則困難性比較大?。因此，在實(shí)際生活的應(yīng)用當(dāng)中，它也具備了一定的限制性。
在經(jīng)過(guò)多種材料的對(duì)比分析之后，結(jié)合汽車(chē)輕量化的要求，基于成本的限制，最終確定的最佳材料及為復(fù)合型材料。該材料不僅僅滿足于輕量化對(duì)于材料的基本需求，而且其在成本效益上具有良好的優(yōu)勢(shì)。復(fù)合型材料的密度一般都比較小，而且其比剛度較大，其性能也極佳，比強(qiáng)度也較為高，即使是在溫度較高或者腐蝕性較強(qiáng)的環(huán)境之下，?其自身的固有性質(zhì)基本上不會(huì)發(fā)生任何改變。?在眾多的復(fù)合型材料當(dāng)中，CFRP碳纖維復(fù)合材料就是其中的一種典型，他滿足所有復(fù)合材料的基本優(yōu)勢(shì)和特征，而且其在航空，汽車(chē)，建筑等領(lǐng)域發(fā)展空間極為廣闊，具有十分良好的潛在市場(chǎng)前景。
在汽車(chē)車(chē)身的組成當(dāng)中，引擎蓋就是一種關(guān)鍵性的覆蓋件，它具有獨(dú)一無(wú)二的價(jià)值和作用。得益于其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，汽車(chē)能夠在運(yùn)行當(dāng)中實(shí)現(xiàn)對(duì)音源和熱源的有效隔離。在引擎蓋的設(shè)計(jì)方面也極為講究。其結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)必須要兼具審美性和實(shí)用性，必須經(jīng)過(guò)一系列的謹(jǐn)慎而細(xì)致的工圖繪制，而且必須能夠具有提高汽車(chē)安全性的重要作用。就現(xiàn)如今引擎蓋市場(chǎng)的發(fā)展而言，三明治的結(jié)構(gòu)是這類(lèi)部件應(yīng)用的最為廣泛的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)之一，這是一種PUR-GF/PUR發(fā)泡結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)必須基于一定的模態(tài)和相應(yīng)的剛度，這是一種具有探索性意義和價(jià)值的初步創(chuàng)新。
1.2碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)覆蓋件的研究現(xiàn)狀
這類(lèi)新型的復(fù)合型材料在我國(guó)是缺乏一定的歷史基礎(chǔ)。該復(fù)合型材料技術(shù)的出現(xiàn)主要源自于西方的一些發(fā)達(dá)國(guó)家。在二戰(zhàn)時(shí)期，出于經(jīng)濟(jì)和軍事的需要，該復(fù)合型材料得到了很好的發(fā)展和應(yīng)用。就汽車(chē)車(chē)身的前期發(fā)展而言，其之前選取的材料單一性程度比較高，普遍應(yīng)用的都是鈑金件，一般都是鋼鐵制造而成的。這類(lèi)原有材料的密度相對(duì)較大，因此，會(huì)在很大的程度上加深機(jī)身的重量，這就與現(xiàn)今汽車(chē)輕量化的需求相違背。為了能夠?qū)崿F(xiàn)汽車(chē)重量的減低，也為了更好地實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約，以及風(fēng)阻系數(shù)的合理性，國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)生產(chǎn)和制造部門(mén)紛紛對(duì)該復(fù)合型材料進(jìn)行了研究和分析。
將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車(chē)身第一家公司，是美國(guó)著名的福特汽車(chē)公司。其于1969年制造出了全球第一臺(tái)該材料類(lèi)型的賽車(chē)。隨后，該復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用也得到了ACT公司的關(guān)注。其在結(jié)合了該材料的基本特性的基礎(chǔ)之上，研制出了一種特殊的無(wú)骨架類(lèi)型的汽車(chē)。但是，人們對(duì)于這種復(fù)合材料研究重視程度的提高，是來(lái)自于全球性第一次的石油危機(jī)的出現(xiàn)。該材料的應(yīng)用經(jīng)過(guò)了幾十年的發(fā)展，取得了一些豐碩的研究成果。在與該材料相關(guān)的學(xué)術(shù)界當(dāng)中，普遍認(rèn)可和支持的觀點(diǎn)是該材料在車(chē)身覆蓋件的應(yīng)用上具有特殊的優(yōu)勢(shì)和良好的性能。在該材料的發(fā)展歷史進(jìn)程當(dāng)中，福特公司對(duì)該材料展開(kāi)的研究和實(shí)驗(yàn)規(guī)模較大。1977年，該公司成功地將該材料應(yīng)用于汽車(chē)的傳動(dòng)軸以及引擎罩等眾多不同的零部件上。不到一年之后的時(shí)間里，福特公司又成功的將開(kāi)材料應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身的20多個(gè)零部件當(dāng)中。據(jù)歷史數(shù)據(jù)調(diào)查顯示，在1980年，福特公司在其設(shè)計(jì)的該材料類(lèi)型的樣車(chē)上，較之于原有的設(shè)計(jì)，其重量減輕了33%，從原有的1.69噸變成了現(xiàn)如今的1.13噸，其替換的僅僅是0.32噸的原有鋼板。
而在21世紀(jì)之初，歐洲也掀起了該材料應(yīng)用的熱潮，著名的研究項(xiàng)目TECABS研究的就是該材料在汽車(chē)當(dāng)中的應(yīng)用。?這個(gè)項(xiàng)目出現(xiàn)的目的在于提高汽車(chē)機(jī)身的輕量化程度，能夠有相得降低機(jī)身的重量，也在于實(shí)現(xiàn)二氧化碳排放量的降低，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排和更好地利用有限的能源。在全球范圍內(nèi)的眾多國(guó)家和供應(yīng)商都紛紛加入了該項(xiàng)目研究，其中不乏世界知名的供應(yīng)商雷諾、大眾、沃爾瑪，而且還有像瑞士、法國(guó)，德國(guó)等眾多嗯，發(fā)達(dá)國(guó)家的重要科研機(jī)構(gòu)。
就我國(guó)在該材料領(lǐng)域當(dāng)中的發(fā)展而言，我國(guó)在汽車(chē)行業(yè)上對(duì)于該材料的應(yīng)用相對(duì)較少，該材料的應(yīng)用幾乎沒(méi)有涉及汽車(chē)今生的覆蓋件。雖然我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)對(duì)于該材料具有一定程度的應(yīng)用，但大多都是來(lái)自于國(guó)外的。復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身當(dāng)中，東風(fēng)小王子研制的汽車(chē)就是一個(gè)很好的典例。其制造的汽車(chē)車(chē)身材料以玻璃纖維為主，基于手糊工藝，實(shí)現(xiàn)了該材料與汽車(chē)零部件的有機(jī)結(jié)合。由此可見(jiàn)，在該復(fù)合材料上的發(fā)展與應(yīng)用，特別是在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中的覆蓋件等相關(guān)零部件的應(yīng)用上，還承載著極為廣闊的發(fā)展空間。
材料的應(yīng)用往往離不開(kāi)其工藝的提高和發(fā)展。加工工藝的水平高低在很大程度上對(duì)復(fù)合材料最終的性質(zhì)優(yōu)良起到一定的關(guān)鍵性和決定性作用。復(fù)合材料，要想實(shí)現(xiàn)有效的應(yīng)用，必須要基于其加工工藝的提高和改善，從而能夠推動(dòng)其應(yīng)用的發(fā)展。此外，工藝的好壞與材料的成本之間也具有重要的聯(lián)系。我國(guó)在復(fù)合材料的領(lǐng)域當(dāng)中，還是存在著一定的優(yōu)勢(shì)地位的。隨著我國(guó)復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和進(jìn)步，加工工藝技術(shù)的成熟和完善，都能夠?qū)π滦偷膹?fù)合材料起到一定的借鑒作用和價(jià)值。復(fù)合材料的應(yīng)用可以基于原有的工藝和經(jīng)驗(yàn)，從而實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用廣度和深度的提升。我國(guó)在復(fù)合材料的加工領(lǐng)域當(dāng)中，其成型方法不斷得以創(chuàng)新和發(fā)展。就現(xiàn)今的發(fā)展而言，基于樹(shù)脂成型的復(fù)合材料具有多種不同的成型類(lèi)型，諸如RTM成型、拉擠成型、噴射成型、手糊成型等。
由于我國(guó)的復(fù)合材料技術(shù)水平，相較于國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家而言具有一定的滯后性，姑手糊成型是我國(guó)最主要的一種成型工藝，也是一種應(yīng)用較為廣泛的工藝之一。但是，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，隨著我國(guó)能源利用和環(huán)境保護(hù)意識(shí)的提高，傳統(tǒng)意義上的手糊成型工藝有可能會(huì)被其他先進(jìn)的成型工藝所取代，而該成型工藝的發(fā)展也會(huì)越來(lái)越多的關(guān)注到對(duì)生產(chǎn)效率的提高，對(duì)資源利用率的提高，對(duì)成本費(fèi)用的降低，以及對(duì)環(huán)境的保護(hù)上。
1.3本課題研究的目的和意義
在一些發(fā)展水平相對(duì)較高國(guó)家和地區(qū)，碳纖維到了有效而廣泛的應(yīng)用，其加工工藝和制造技術(shù)的成熟度也相對(duì)較高。但大多都是應(yīng)用于比較高級(jí)的轎車(chē)或者性能需求比較高的跑車(chē)上，而對(duì)于普通轎車(chē)的應(yīng)用則相對(duì)較少。這在很大的程度上是因?yàn)樘祭w維應(yīng)用在汽車(chē)上的加工工藝技術(shù)要求高，具備一定的復(fù)雜程度，因此，其與材料相關(guān)的成本和費(fèi)用支出也相對(duì)較高。與國(guó)外有所不同的是，我國(guó)在汽車(chē)材料的應(yīng)用領(lǐng)域當(dāng)中，碳纖維的市場(chǎng)相對(duì)較為狹窄，沒(méi)有得到很好的推廣和應(yīng)用。本文研究的主要核心在于基于復(fù)合材料的汽車(chē)覆蓋件設(shè)計(jì)應(yīng)用上。因此，必須對(duì)該材料進(jìn)行相關(guān)的闡述和分析，這也是研究其應(yīng)用的首要環(huán)節(jié)。
1.4本文研究的主要內(nèi)容
本文主要對(duì)汽車(chē)引擎蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了相應(yīng)的闡述和分析，基于逆向設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)方法，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的性能對(duì)該部件進(jìn)行設(shè)計(jì)。逆向型的設(shè)計(jì)方法，簡(jiǎn)單的來(lái)說(shuō)，就是基于原有的引擎蓋材料結(jié)構(gòu)，將該復(fù)合型材料與引擎蓋進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變。設(shè)計(jì)的完成，必須經(jīng)過(guò)實(shí)踐和理論的檢驗(yàn)。因此，借助于仿真軟件的功能和作用，本文還從該材料的鋪層順序及角度論述了該材料的應(yīng)用對(duì)引擎蓋在性能方面的作用和影響。論文的最后，基于對(duì)比分析的方法，將該復(fù)合材料型的引擎蓋與原有的鋼制型的引擎蓋進(jìn)行了模態(tài)上和剛度上的對(duì)比分析，闡述了該材料在應(yīng)用方面上的不足，并提出了一些能夠解決該問(wèn)題的方法建議。
1.5擬解決的關(guān)鍵問(wèn)題
基于三明治型的結(jié)構(gòu)原理和該材料在是模態(tài)和剛度上的性質(zhì)原理，在該復(fù)合材料與引擎蓋相結(jié)合的過(guò)程當(dāng)中，必須對(duì)鋪成的順序和角度進(jìn)行合理地確定和分析
37
第2章引擎蓋的設(shè)計(jì)
第2章 引擎蓋的設(shè)計(jì)
2.1汽車(chē)引擎蓋的作用和結(jié)構(gòu)
2.1.1引擎蓋的作用
汽車(chē)機(jī)身的完整性離不開(kāi)覆蓋件的支持和配備。覆蓋件作為汽車(chē)當(dāng)中的零部件之一，主要位于汽車(chē)的外殼上，具有一定的裝飾作用，能夠提高機(jī)身整體的美觀性。而在類(lèi)型眾多的汽車(chē)的覆蓋件當(dāng)中，引擎蓋具有關(guān)鍵性的地位和價(jià)值，其配置主要面向于汽車(chē)的行李艙，車(chē)頂以及引擎。在汽車(chē)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，引擎蓋的存在具有重要的作用和意義。以下幾個(gè)方面是對(duì)其作用的分析和闡述。
1.引擎蓋的存在空氣流向具有良好的調(diào)節(jié)作用，其具備一定的空氣導(dǎo)流作用。汽車(chē)在運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，由于其運(yùn)轉(zhuǎn)具有速度極高的特點(diǎn)，而周?chē)目諝庀鄬?duì)流速較小，在這樣的速度差距下會(huì)產(chǎn)生一定的空氣擾流和阻力，對(duì)于汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的速度和軌跡起到一定的直接作用。而處于汽車(chē)外形上的引擎蓋，能夠?qū)諝饬鞯姆较蚝妥枇M(jìn)行一定的調(diào)整。
2.引擎蓋能夠很好的保護(hù)其涵蓋的零配件。在引擎蓋之下，剎車(chē)、電路、發(fā)動(dòng)機(jī)等都是重要的汽車(chē)組成。得益于引擎蓋的存在，這些零部件能夠不受到雨水等外界物質(zhì)的侵蝕和影響。
3.引擎蓋出在機(jī)身的外形上，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展和完善，其設(shè)計(jì)基于一定的美學(xué)原理，因而具有一定的審美性。
4.能夠?qū)︸{駛員的駕駛起到一定的輔助作用。?在汽車(chē)運(yùn)行的過(guò)程當(dāng)中，駕駛員免不了受到外界光線的反射作用，進(jìn)而無(wú)法明確的對(duì)路面狀況做出準(zhǔn)確的判斷。而引擎蓋的出現(xiàn)恰好可以減弱該作用的強(qiáng)度。
5.引擎蓋的材質(zhì)一般都具有耐高溫的特性。因此，在遇到溫度較高或者電壓較高的易燃的環(huán)境之下，那能夠?qū)鹪雌鸬揭欢ǖ淖韪糇饔?，可以以保護(hù)人身安全。
6.引擎蓋的設(shè)計(jì)，在某種程度和意義上來(lái)說(shuō)具有一定的平面效用，能夠當(dāng)做一個(gè)特殊的平臺(tái)來(lái)進(jìn)行使用。
2.1.2引擎蓋的結(jié)構(gòu)
隨著現(xiàn)代制造工藝的發(fā)展，當(dāng)今的引擎蓋在結(jié)構(gòu)精度上要求較高，加工工藝也相當(dāng)復(fù)雜，三明治結(jié)構(gòu)是應(yīng)用的最為廣泛的結(jié)構(gòu)之一。該結(jié)構(gòu)是一種特殊的三層結(jié)構(gòu)，其上下兩層分別有以合金或者是鋼板制造而成的內(nèi)外板構(gòu)成，有隔材料著填充于其間，因而被形象化的稱之為三明治。這種材料結(jié)構(gòu)能夠最大限度地滿足車(chē)身的剛性要求，材料的選用一般由廠家決定，骨架形式是內(nèi)板形狀的一般形式。其結(jié)構(gòu)外形大致如下。
圖2-1汽車(chē)引擎蓋的內(nèi)外板
2.2 引擎蓋的選材
2.2.1選材的意義
現(xiàn)代化的能源問(wèn)題和環(huán)境問(wèn)題相當(dāng)突顯，而這也是有待人類(lèi)解決的重要問(wèn)題之一。環(huán)境的污染給人類(lèi)帶來(lái)了巨大的破壞性，部分能源和資源是具有不可再生性的，如果將其消耗殆盡，就無(wú)法實(shí)現(xiàn)其有效供給，甚至有可能威脅人類(lèi)的存在。因此，對(duì)于能源和環(huán)境的保護(hù)就顯得尤為重要了。而在汽車(chē)產(chǎn)業(yè)當(dāng)中，必須消耗大量的燃油，如果能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化，這能夠在很大程度上降低燃油的使用量，能夠有效地實(shí)現(xiàn)能源的節(jié)約。汽車(chē)的質(zhì)量與油耗之間存在著一定的正相關(guān)關(guān)系，降低汽車(chē)的質(zhì)量，就意味著汽車(chē)油耗的減少。據(jù)國(guó)際數(shù)據(jù)顯示，汽車(chē)如果能在質(zhì)量上實(shí)現(xiàn)10%的降低，其相應(yīng)的燃油消耗量將會(huì)實(shí)現(xiàn)6%到8%的減少。而汽車(chē)輕量化具有諸多優(yōu)勢(shì)，他不僅僅能夠使汽車(chē)的重量下降，而且能夠促進(jìn)汽車(chē)穩(wěn)定性的改善，還能夠?qū)ζ漶{駛性能起到一定的優(yōu)化作用，能夠減少振動(dòng)和噪聲的不利影響和作用。值得一提的是，一旦發(fā)生由于碰撞產(chǎn)生的安全事故，汽車(chē)的慣性將會(huì)得到減少，制動(dòng)距離也會(huì)相對(duì)較小，從而能夠減少碰撞帶來(lái)的損失和傷害，在一定程度上對(duì)于提高汽車(chē)的安全性具有十分重要的意義和價(jià)值。因此，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)的輕量化就顯得尤為必要了，它不僅有利于能源的節(jié)約，還有利于促進(jìn)我國(guó)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。
鋼制引擎蓋雖也有一定的優(yōu)勢(shì)，可出于這種鋼材固有性質(zhì)的局限性，其無(wú)法滿足輕量化厚度和剛性的需求，其平緩的形狀存在著一些缺陷和不足之處。這就給我國(guó)汽車(chē)的輕量化程度的提高帶來(lái)了一定的阻礙作用，而且還增加了一定的變革成本。
因此，想要實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化程度的提高，必須從選材上著手，必須注重材料的固有特性，必須滿足輕量化對(duì)于當(dāng)度以及強(qiáng)度的力學(xué)需求。本文采用的復(fù)合型材料恰好能夠與之相匹配，對(duì)提高汽車(chē)的輕量化程度具有積極的促進(jìn)作用。
2.2.2選擇的材料
基于材料的性質(zhì)要求和成本經(jīng)濟(jì)效益原則，為了實(shí)現(xiàn)輕量化程度的提高，進(jìn)一步減少燃油的消耗量，提高燃油的有效利用率，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)制造整體成本的經(jīng)濟(jì)性，本文選取了碳纖維復(fù)合材料作為引擎蓋的主要制作材料。該材料不僅能夠滿足以上需求，而且其性能極佳，它的比剛度較高，其密度也較小，非常的耐腐蝕和耐高溫，具有良好的比剛度，是一種非常優(yōu)質(zhì)的輕量化的復(fù)合材料。
2.3 本章小結(jié)
本文主要分兩方面，對(duì)引擎蓋的選材進(jìn)行了介紹和闡述。第一個(gè)方面在于其作用和結(jié)構(gòu)的介紹上，從現(xiàn)今汽車(chē)引擎蓋的材料現(xiàn)狀出發(fā)，提出輕量化的問(wèn)題。第二個(gè)方面，主要對(duì)材料的選擇進(jìn)行了介紹和闡述，分析了其性質(zhì)特點(diǎn)和輕量化程度提高的需求。
第3章碳纖維引擎蓋的設(shè)計(jì)
第3章 碳纖維引擎蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的設(shè)計(jì)
3.1.1逆向設(shè)計(jì)方法
逆向設(shè)計(jì)的方法來(lái)自于逆向工程的出現(xiàn)和存在。這種設(shè)計(jì)方法，基于進(jìn)一步地了解和剖析原有的物質(zhì)原理，實(shí)現(xiàn)原實(shí)體的再創(chuàng)造。該設(shè)計(jì)主要由三個(gè)具體步驟組成，其一是制造出磨具或者是相應(yīng)的產(chǎn)品，其二在于重新構(gòu)建CAD的模型，其三則在于實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的幾何外形。
3.1.2逆向設(shè)計(jì)法的注意點(diǎn)
(l)必須剔除壞點(diǎn)。在對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建的過(guò)程當(dāng)中，難免會(huì)出現(xiàn)一些壞點(diǎn)，影響到設(shè)計(jì)的最終呈現(xiàn)。
(2)曲面塊的劃分必須具備一定的合理性，必須基于特征線和原有設(shè)計(jì)意圖進(jìn)行合理規(guī)劃。
(3)科學(xué)評(píng)估可考察曲面的質(zhì)量水平，及時(shí)對(duì)質(zhì)量不高的曲線做出相應(yīng)的合理調(diào)整，力求提高曲面的整體質(zhì)量水平。
(4)遵循構(gòu)建的一般順序和基本思路。在構(gòu)建的過(guò)程當(dāng)中，小面的構(gòu)建必須在大面之后進(jìn)行，小面不可以應(yīng)用在能夠借助大面進(jìn)行構(gòu)建的曲面上。此外，在圓弧面的構(gòu)建上，圓角的處理必須后置于基本平面的構(gòu)建。
(5)合理控制曲面的連續(xù)連續(xù)性，注重部件之間的流程斜街。
3.1.3引擎蓋模型的選擇
本文的模型選擇以?shī)W迪汽車(chē)的引擎蓋為例，其模型如下所示。
圖3-1引擎蓋模型
相應(yīng)參數(shù)如下：
表3-1原引擎蓋模型的參數(shù)
密度（g/cm3）
泊松比
彈性模量（GPa）
厚度（mm）
內(nèi)板
7.8
0.3
210
0.8
外板
7.8
0.3
210
0.7
夾心
0.5
0.3
0.1
5
3.1.4傳統(tǒng)引擎蓋的受載
汽車(chē)的運(yùn)行和使用會(huì)給引擎蓋施加一定的作用力，在一定程度上會(huì)導(dǎo)致其形狀的改變，或者是帶來(lái)一定的振動(dòng)。依據(jù)相關(guān)研究，其受載分析如以下的約束和載荷模型所示。
（1） 引擎蓋安裝變形分析
約束：主要在于對(duì)自由度的限制性作用上，對(duì)于不同的部位有不同向的限制。其施加的約束一般都在螺栓孔和安裝孔上。兩者的移動(dòng)自由度的限制都體現(xiàn)在 X、Y以及Z向上，而對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度的限制則不同，前者體現(xiàn)在X和Z 上，而后者則在X、Y以及Z向上。
加載：會(huì)對(duì)其鎖插銷(xiāo)的地方產(chǎn)生重力作用，形成重力載荷。
其模型如下。
安裝變形模型
（2） 引擎蓋邊緣變形模型
約束：這種限制作用與安裝變形的模型基本一致，都是施加在與前端的緩沖塊相對(duì)應(yīng)的安裝孔和與應(yīng)用于鉸鏈安裝的螺栓孔上，其對(duì)自由度的指向限制情況也是一致的。
加載：重力載荷的施加主要集中在 rear beam以及 side beam 上。
其模型如下。
邊緣變形模型
（3） 引擎蓋下拉變形分析
約束：該限制作用與以上的模型相一致。
加載：重力載荷的施加主要集中在鎖插銷(xiāo)的地方。
其模型如下。
下拉變形模型
（4）引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析
約束：該限制作用與以上的模型相一致。
加載：重力載荷的施加主要集中在安裝孔的 Z 向上，該處居于左前方的緩沖塊上。
其模型如下。
扭轉(zhuǎn)剛度模型
(5) 引擎蓋的沖擊分析
約束：該限制作用與以上的模型相一致。
加載：重力載荷的施加主要集中在引擎蓋總成上，具有一定的重力加速度。
其模型如下。
沖擊分析模型
（6） 引擎蓋手掌壓痕分析
約束：這種限制作用與以上模型有不同之處。其在鉸鏈安裝的螺栓孔上的施加作用相同，但它沒(méi)有施加在安裝孔上，而是施加在鎖扣處。
加載：重力載荷的施加主要集中在引擎蓋總成上，施加區(qū)域?yàn)?00×100mm ，重力大小為450N。
其模型如下。
手掌壓痕模型
（7）引擎蓋凹陷剛度分析
約束：這種限制作用與手掌壓痕模型相同。其都在鉸鏈安裝的螺栓孔上鎖扣處進(jìn)行施加作用。
加載：重力載荷的施加主要集中在引擎蓋總成后端上，施加區(qū)域?yàn)?5×75mm ，重力大小為90N。
其模型如下。
凹陷剛度模型
以上是傳統(tǒng)引擎蓋的受載情況，通過(guò)限制引擎蓋的自由度，對(duì)引擎蓋的不同地方施加壓力，通過(guò)CAE分析得出引擎蓋的受載情況。
我們主要要研究的就3種受載情況：
（1） 彎曲剛度
對(duì)其鉸鏈的一端的移動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度施加三X.Y.Z方向的限制作用，實(shí)施全方位的約束，再將200N的垂直載荷施加在其鉸鏈的另外一端上。
引擎蓋的彎曲工況
（2）扭轉(zhuǎn)剛度
在引擎蓋的鉸鏈上的移動(dòng)自由度施加三X.Y.Z方向的限制作用，其另外的一端的中點(diǎn)也相同。此外，再使得中部的兩側(cè)形成力偶，對(duì)其分別施加100N的重力載荷。
扭轉(zhuǎn)工況
（1） 模態(tài)分析
在鉸鏈處和另一端中點(diǎn)出均限制三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，分析其一階和二階模態(tài)頻率。在引擎蓋的鉸鏈上的移動(dòng)自由度施加三X.Y.Z方向的限制作用，其另外的一端的中點(diǎn)也相同，進(jìn)而分析其一階模態(tài)的頻率以及二階模態(tài)的頻率。
模態(tài)工況
3.1.5碳纖維引擎蓋模型
本文的設(shè)計(jì)模型以“三明治”的結(jié)構(gòu)為主，借助 CAD 軟件進(jìn)行模擬創(chuàng)建。
碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的尺寸參數(shù)
結(jié)構(gòu)
厚度（mm）
外板
1
夾芯
10
內(nèi)板
1
蜂窩夾層結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖：
碳纖維復(fù)合材料引擎蓋模型
3.1.6材料的選擇
(1) 增強(qiáng)材料
在選擇這種材料的過(guò)程當(dāng)中，必須重視對(duì)其性能的考慮，也必須注重其壽命的長(zhǎng)短與否，剛度的大小與否，強(qiáng)度的高低與否，還必須考慮到其可獲得性的高低，環(huán)保性能的好壞。本文綜合了以上各方面的考慮因素，基于成本效益原則，選擇了如下材料，其性能參數(shù)如下。
T300和玻璃纖維的性能參數(shù)
材料名稱
玻璃纖維
T300
拉伸強(qiáng)度（MPa）
1750~2150
3530
彈性模量（GPa）
60~80
230
密度（g/cm3）
2.4~2.7
1.76
纖維直徑（μm）
7
7
（2） 基體材料
基體材料類(lèi)型眾多，樹(shù)脂、陶瓷、以及金屬類(lèi)型的基體都是比較重要的基體材料。本文在對(duì)以上基體材料進(jìn)行研究和比對(duì)之后，最終決定在基體材料的選用上以5208型的環(huán)氧樹(shù)脂為主。
環(huán)氧樹(shù)脂5208的性能參數(shù)
線膨脹系數(shù)
（1/K）
彈性模量
（GPa）
密度
(g/cm3)
彈性模量
（GPa）
拉伸強(qiáng)度
（MPa）
59×10-6
3.3
1.3
3.3
85
結(jié)合以上選擇的兩種材料，得到本文設(shè)計(jì)的復(fù)合材料，其性能參數(shù)如下。
T300/5208的力學(xué)性能參數(shù)
E1(GPa)
E2(GPa)
E3(GPa)
U21
U32
U31
G12(GPa）
181
10.3
10.3
0.28
0.3
0.28
7.17
G23(GPa）
G13(GPa）
Xt(MPa）
Xc(MPa)
Yt(MPa）
Yc（MPa）
S(MPa）
3.78
7.17
1500
1500
40
246
68
（3） 夾芯材料
在對(duì)中間材料進(jìn)行選擇的時(shí)候，必須注重其適用性，而這種PUR聚氨酯類(lèi)型的泡沫塑料不僅僅性能極佳，具備良好的耐熱、耐寒、耐火等特點(diǎn)，而且完全符合本文的設(shè)計(jì)需求，其相關(guān)數(shù)據(jù)如下所示。
聚氨酯泡沫塑料性能參數(shù)
密度（g/cm3）
剪切模量（MPa）
泊松比
彈性模量（MPa）
0.5
38
0.3
100
3.2引擎蓋彎曲剛度的仿真分析
3.2.1不同鋪層角度對(duì)彎曲剛度的影響
本設(shè)計(jì)模型的受載即下圖所示。以鋪層的x軸上的方向作為0°的鋪層角，在5個(gè)不同的節(jié)點(diǎn)上分配200N的作用力。
彎曲載荷的承受示意圖
對(duì)A、B 兩點(diǎn)和它們中間的線實(shí)施三方向的自由度約束，選擇[0/0/0/0/0]作為本文的鋪層方案，施加200N的作用力在Y軸的負(fù)方向上，該Y軸處于另外一端的中點(diǎn)上，進(jìn)行仿真模擬，下圖即為位移結(jié)果：
Y方向在[0/0/0/0/0]鋪層角度設(shè)置下的位移云圖
不同的鋪層角度，會(huì)出現(xiàn)不同程度的變形。0.016497m是在Y 方向上發(fā)生的最大程度的變形。
鋪層角度與其最大變形
由以上的最大變形曲線如下：
不同鋪層角度下沿受力方向最大變形曲線
從上面的變化趨勢(shì)中，可以發(fā)現(xiàn)鋪層角度與變形之間具有一個(gè)45°的分界點(diǎn)，在其左邊，變形會(huì)增大，在其右邊，變形迅速變小。最小變形在鋪層角度接近90°時(shí)才能實(shí)現(xiàn)。
3.2.2不同鋪層順序?qū)澢鷦偠鹊挠绊?
本文的鋪層順序選為[0/45/-45/60/-60]，示意圖如下：
[0/45/-45/60/-60]的鋪層順序
材料1和2分別是碳纖維布和泡沫塑料，只有第 6 層選用的是泡沫塑料，其余均為碳纖維布。以下是該材料組合在不同鋪層順序下的模擬仿真變形分析的結(jié)果。
不同順序下沿受力方向最大變形曲線
由以上可知，方案 4變形為 0.0064914m，是最大值，而方案 8變形為 0.0063351m，是最小值。在 [90/90/90/90/90]的鋪層方案中，變形最小為0.0072250m，已久超過(guò)了方案 4。對(duì)以上方案進(jìn)行對(duì)比和分析，結(jié)果顯示±60°對(duì)表層的靠近程度超過(guò)了±45°，而且變形程度也較小。進(jìn)而能夠推斷混合鋪層中的變形量在受到具有一致性的約束和載荷作用下，表層的靠近越高，變形也越小。因此，本文的設(shè)計(jì)選用大角度的鋪層設(shè)計(jì)，力求更加接近表層。
3.3引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度的仿真分析
3.3.1不同鋪層角度對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響
對(duì)A、B、C處實(shí)施三方向的自由度約束，施加100N的作用力在 E 和 F 上，力偶的形成能夠讓Z 軸成為引擎蓋的旋轉(zhuǎn)軸。
扭轉(zhuǎn)載荷示意圖
0°鋪層下的Z 軸轉(zhuǎn)角：
[0/0/0/0/0]鋪層下 Z 方向的扭轉(zhuǎn)角云圖
鋪層的角度的不同會(huì)引起Z 軸轉(zhuǎn)角的不同。
鋪層角度及其 Z 方向扭轉(zhuǎn)角度
由下表得曲線如下：
鋪層角度及其 Z 方向的最大扭轉(zhuǎn)角度
從上面的變化趨勢(shì)中可以看到鋪層角度對(duì)扭轉(zhuǎn)角度的影響相當(dāng)大。
3.3.2不同鋪層順序?qū)εまD(zhuǎn)剛度的影響
不同的鋪層順序也會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)剛度的不同，仿真數(shù)據(jù)如下：
相應(yīng)圖像如下：
不同鋪層順序下沿 Z 方向最大扭轉(zhuǎn)角度
由上面的圖像可知，最大扭轉(zhuǎn)角在方案 10 中得以實(shí)現(xiàn)，而最小扭轉(zhuǎn)角在方案 6中得以實(shí)現(xiàn).由此可見(jiàn)，鋪層角度的減小更加有利于扭轉(zhuǎn)剛度的提高。
3.4引擎蓋模態(tài)仿真分析
3.4.1 不同鋪層角度對(duì)模態(tài)的影響
鋪層角度的不同會(huì)影響到引擎蓋的模態(tài)，施加三方向的約束于 A、B、C上，示意圖如下：
模態(tài)約束
外板在[0/0/0/0/0]下的 1～6 階的模態(tài)頻率：
[0/0/0/0/0]鋪層的 1～6 階模態(tài)
模態(tài)振型如下：
鋪層為[0/0/0/0/0]時(shí)的一階和二階振型
1、 二階模態(tài)與鋪層角度的關(guān)系如下
前兩階模態(tài)如圖所示：
不同鋪層角度下的引擎蓋的一階和二階模態(tài)
從上面的圖像知，模態(tài)頻率與鋪層角度存在一定的正相關(guān)關(guān)系。
3.4.2不同鋪層順序?qū)δB(tài)的影響
仿真結(jié)果如下：
不同鋪層順序下的引擎蓋的一階和二階模態(tài)
從上面的圖像中可以看到，鋪層順序和模態(tài)頻率的大小存在的聯(lián)系不大，而鋪層角度則恰恰相反。因此，為滿足設(shè)計(jì)需求，選鋪層角度大的模型更加合適。
3.5兩類(lèi)引擎蓋性能的對(duì)比
3.5.1碳纖維引擎蓋的性能
以[90/45/0/-45/90]為鋪層方案,其變形以及模態(tài)如下：
鋪層方案[90/45/0/-45/90]的變形和模態(tài)
受彎曲載荷時(shí)Y方向的變形（m）
受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)Z方向的扭轉(zhuǎn)角度（rad）
約束下的模態(tài)頻率（Hz）
0.005851
0.002954
一階
二階
38.975
50.820
3.5.2原引擎蓋的有限元分析
（1）首先通過(guò)SolidWorks 2013軟件設(shè)計(jì)建立引擎蓋模型，如下圖所示：
引擎蓋模型
（2）建立有限元的模型：
其實(shí)體單元為四面體，疏密相間，有217170個(gè)節(jié)點(diǎn)，117455個(gè)單元，如圖所示。
有限元模型
（3）引擎蓋彎曲剛度仿真
固定約束引擎蓋兩個(gè)后支點(diǎn)（紫色），在引擎蓋前（紅色處）端施加豎直向下的力200N，如下圖所示：
計(jì)算結(jié)果如下：
最大應(yīng)力在支點(diǎn)處最大為24.788MPa，遠(yuǎn)低于所用材料屈服極限，其他區(qū)域應(yīng)力很小。
彎曲剛度仿真等效應(yīng)力
最大位移在引擎蓋前端最大為0.86285mm，滿足應(yīng)用要求。
彎曲剛度仿真位移
（4） 引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度仿真：
同樣固定約束引擎蓋兩個(gè)后支點(diǎn)（紫色），在引擎蓋前兩側(cè)（紅色處）分別施加豎直向下和向上的力100N，以施加扭矩載荷，如下圖所示：
計(jì)算結(jié)果如下：
最大應(yīng)力在支點(diǎn)處最大為3.3125MPa，遠(yuǎn)低于所用材料屈服極限，其他區(qū)域應(yīng)力很小。
扭轉(zhuǎn)剛度仿真應(yīng)力圖
最大位移在引擎蓋前端兩側(cè)，最大為0.17666mm，滿足應(yīng)用要求。
扭轉(zhuǎn)剛度仿真位移圖
（5） 模態(tài)分析
固定約束引擎蓋兩個(gè)后支點(diǎn)（黃色處）和前端固定點(diǎn)（紫色處），如下圖所示，對(duì)引擎蓋前進(jìn)行模態(tài)分析。
計(jì)算結(jié)果如下：
計(jì)算結(jié)果顯示引擎蓋的前誤解固有頻率分別為：1階固有頻率67.163Hz、2階固有頻率76.941Hz、3階固有頻率114.47Hz、4階固有頻率132.59Hz。分析結(jié)算結(jié)果表明，引擎蓋前幾階固有頻率遠(yuǎn)高于車(chē)輛的背景激振頻率（一般小于10Hz），低于發(fā)動(dòng)機(jī)的激振頻率（150Hz以上），因此該引擎蓋設(shè)計(jì)模態(tài)分析符合應(yīng)用要求。
1階固有頻率仿真應(yīng)力如下圖所示，應(yīng)力值在三個(gè)固定點(diǎn)處較大，最大為570.79MPa，其他區(qū)域應(yīng)力很小，此應(yīng)力值無(wú)應(yīng)用價(jià)值，只反映應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)的位置。依據(jù)分析結(jié)果，三個(gè)支點(diǎn)位置結(jié)構(gòu)材料應(yīng)選用屈服極限較高的材料。
1階固有頻率仿真應(yīng)力圖
1階固有頻率仿真位移如下圖所示，位移值在引擎蓋前端兩側(cè)最大，最大為7.0219mm，此位移值同樣無(wú)應(yīng)用價(jià)值，只反映應(yīng)力最大點(diǎn)出現(xiàn)的位置。
1階固有頻率仿真位移圖
2階固有頻率仿真應(yīng)力、位移如下圖所示。
2階固有頻率仿真應(yīng)力圖
2階固有頻率仿真位移圖
就彎曲變形這一方面的分析，碳纖維引擎蓋略微優(yōu)于原有鋼制的引擎蓋，前者彎曲變形為0.005851m，合為 5.851mm，而后者彎曲變形為0.005879m，合為 5.897mm。兩者在該方面的差異性比較小。而就扭轉(zhuǎn)變形這一方面的分析，它們也同樣存在不大的差異性。前者的扭轉(zhuǎn)變形為 0.002954rad，而后者的扭轉(zhuǎn)變形為0.00272rad，0.01°是兩者的差值轉(zhuǎn)化角。而就尺寸大小這一方面的分析，兩者在該方面的差異性也不算顯著。就模態(tài)頻率這一方面的分析，一階模態(tài)上的差異性也不算大，但是二階模態(tài)中，前者的優(yōu)勢(shì)就得到顯現(xiàn)了。但較為值得一提的是，采用碳纖維復(fù)合材料制作而成的引擎蓋在厚度上的優(yōu)勢(shì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了原有的鋼制而成的引擎蓋，以幾乎兩倍的厚度優(yōu)勢(shì)實(shí)現(xiàn)超越，前者厚度高達(dá)12mm，后者則是其中的一半多一點(diǎn)即 6.5mm，而且減重幅度實(shí)現(xiàn)了40%的高比例。
3.6本章小結(jié)
本章主要基于引擎蓋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原理，以逆向的設(shè)計(jì)方法作為主要的研究方法，重在在對(duì)鋪設(shè)角度和鋪設(shè)順序的研究和分析，結(jié)合內(nèi)板、外板和中間層的材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及其發(fā)生扭轉(zhuǎn)和變形的作用原理，討論了其對(duì)實(shí)現(xiàn)其汽車(chē)輕量化的作用和影響。并將本文設(shè)計(jì)的采用復(fù)合型材料的引擎蓋與原有的用鋼制作而成的引擎蓋進(jìn)行對(duì)比分析，得出了該復(fù)合材料類(lèi)型的引擎蓋優(yōu)于原有引擎蓋的重要結(jié)論。此外，本文還得出了一些相關(guān)的重要聯(lián)系，比如鋪層角度的大小往往與彎曲剛度和模態(tài)頻率的大小形成正相關(guān)關(guān)系，而鋪層角度的大小往往與扭轉(zhuǎn)剛度的大小具有負(fù)相關(guān)關(guān)系，單一的鋪層結(jié)構(gòu)往往都無(wú)法在性能上實(shí)現(xiàn)對(duì)混合鋪成的超越，而且，一般而言，引擎蓋的彎曲度、模態(tài)等方面的影響下，鋪層順序的改變并無(wú)多大起效。
第4章總結(jié)
第4章總結(jié)
4.1研究總結(jié)
在引擎蓋的制作領(lǐng)域當(dāng)中，該復(fù)合型材料的應(yīng)用在促進(jìn)汽車(chē)輕量化實(shí)現(xiàn)的方面具有一定的探索和實(shí)踐意義，也具備一定的創(chuàng)新借鑒價(jià)值。這種復(fù)合型材料具備了多方面的優(yōu)勢(shì)性能。其在提高汽車(chē)輕量化方面具有有效的促進(jìn)作用，它能夠有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)身重量的降低，在本文論述的設(shè)計(jì)當(dāng)中，較之于原有引擎蓋的重量，該材料實(shí)現(xiàn)了占比為40%的重量減輕，可見(jiàn)其對(duì)于減重起到的效果極佳。其中，尤為值得一提的是，該復(fù)合型材料不僅僅能夠有效的降低車(chē)身的重量，與此同時(shí)，其還能夠在極大的程度之上保持機(jī)身的原有性能不變，甚至，它還能在一定程度上對(duì)汽車(chē)的性能進(jìn)行了優(yōu)化和升級(jí)。在汽車(chē)的操縱性能上，該材料就顯示了其顯著的提高作用。?由于該材料的固有性質(zhì)，一旦將其制作成為引擎蓋，能夠在一定程度上促進(jìn)汽車(chē)安全性的提高，降低汽車(chē)事故對(duì)相關(guān)人員的威脅，這主要得益于該材料具備良好的吸能效果。就生產(chǎn)的經(jīng)濟(jì)成本而言，該材料的應(yīng)用還能夠在極大程度上降低能源的損耗，讓汽車(chē)在燃油的浩運(yùn)方面具備了更高的經(jīng)濟(jì)性，從而降低汽車(chē)整體的后續(xù)的費(fèi)用支出，也能在一定程度上起到保護(hù)環(huán)境的良好作用。因此，在對(duì)引擎蓋的結(jié)構(gòu)進(jìn)行制造和設(shè)計(jì)中，該復(fù)合型材料的應(yīng)用具有十分關(guān)鍵性的意義和價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
參考文獻(xiàn)
[1]湯堯,蘭天亮,王少偉.CAE分析在汽車(chē)引擎蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].智能制造,2016(06):37-40.
[2]張建國(guó),王天圣,張錦光,宋春生,張強(qiáng).碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)引擎蓋的設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程師,2014(11):148-150.
[3]方柘林. 基于車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化方法研究[D].南昌大學(xué),2014.
[4]張強(qiáng). 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)引擎蓋的設(shè)計(jì)和工藝研究[D].武漢理工大學(xué),2014.
[5]李浩,羅劍嵐,李煒.碳纖維復(fù)合材料引擎蓋剛度的有限元分析[J].玻璃鋼/復(fù)合材料,2014(02):9-13.
[6]趙峻,張瑞乾,王想亭.基于ABAQUS的引擎蓋抗凹分析[J].汽車(chē)實(shí)用技術(shù),2013(12):34-38.
[7]王源紹,王麗娟,陳宗渝,吳祥清.基于多性能耦合的引擎蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2012(11):220-222.
[8]王剛,李旭東,姜慧.汽車(chē)引擎蓋的有限元分析[J].甘肅科技,2012,28(08):71-73.
[9]劉志峰,王進(jìn)京,張雷,鮑宏.鋁合金與玻璃鋼汽車(chē)引擎蓋的生命周期評(píng)價(jià)[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2012,35(04):433-438.
[10]劉娟. 汽車(chē)引擎蓋拉延成形的數(shù)值模擬仿真[D].中南林業(yè)科技大學(xué),2012.
[11]邢志遠(yuǎn).基于ABAQUS的引擎蓋抗凹剛度分析[J].機(jī)電技術(shù),2012,35(01):102-103.
[12]李秀紅.引擎蓋側(cè)翻邊模的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].工業(yè)設(shè)計(jì),2008(05):43. [14]張勝蘭,石正鵬,胡群.CATIA V5在引擎蓋逆向造型中的應(yīng)用[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2008(02):65-67.
[13]劉志友.汽車(chē)引擎蓋外板鋅基合金拉伸模[J].模具工業(yè),1999(05):23-26.
[14]段向敏. 汽車(chē)覆蓋件成形數(shù)值模擬及拉延筋優(yōu)化研究[D].西南大學(xué),2014.
[15]劉娟. 汽車(chē)引擎蓋拉延成形的數(shù)值模擬仿真[D].中南林業(yè)科技大學(xué),2012.
[16]陳堰芳.基于Geomagic Studio的汽車(chē)引擎蓋的逆向設(shè)計(jì)[J].時(shí)代農(nóng)機(jī),2016,43(01):61-62.
致謝
致謝
論文完成之際，我一定要對(duì)我的老師表示衷心的感謝！若是沒(méi)有老師的辛勤付出和細(xì)心指導(dǎo)，我想我一定無(wú)法如此順利的完成我的論文。在本次論文的設(shè)計(jì)當(dāng)中，老師對(duì)于治學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，對(duì)于工作的熱情和追求，對(duì)于專業(yè)知識(shí)和技能的精益求精，以及對(duì)于我的細(xì)心教導(dǎo)和培養(yǎng)，無(wú)不令我印象深刻。由于我的能力有限，對(duì)于在學(xué)習(xí)上出現(xiàn)的難題無(wú)法有效解決，多虧了老師的教導(dǎo)和幫助，也多虧了老師的支持和鼓勵(lì)，在老師的信任和理解中，我得到了逐步的成長(zhǎng)，而對(duì)老師的敬意也得到了進(jìn)一步的提高。
此外，在本文的設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中，我發(fā)現(xiàn)了自身的一些缺陷和不足之處。在專業(yè)知識(shí)的學(xué)習(xí)上，我還存在著一些問(wèn)題，我對(duì)其理解的深度和廣度都還不夠，鑒于經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)水平的有限，我還無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)專業(yè)知識(shí)的有效應(yīng)用。得益于這一次珍貴的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，我能夠提高了對(duì)自身的認(rèn)知，也逐漸加深了對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解，更加深刻的體會(huì)到了學(xué)術(shù)研究的重要性和價(jià)值所在，也第一次真正的體會(huì)到了知識(shí)的價(jià)值和意義，第一次真正明白了為什么學(xué)習(xí)是學(xué)生的責(zé)任和義務(wù)。
大學(xué)四年即將結(jié)束，四年的時(shí)光恍若彈指一揮間，本文的最后，我還要衷心的感謝曾經(jīng)支持過(guò)我，幫助過(guò)我的每一位家人和朋友，感謝他們的辛勤付出，感謝他們每一個(gè)人的信任，感謝他們給我的勇氣和支持。對(duì)于所有曾經(jīng)幫助過(guò)我和支持我的人，在此，我獻(xiàn)上我最崇高的敬意和最真摯的感激！
收藏