在设计发动机舱盖时，要求其具有质量轻、刚性强的结构特性，且在整车道路试验和试验室开关试验中不能出现耐久性问题，也不能对临近部件造成砸痕、刮擦等现象。而过关量是用于在设计时使发动机舱盖满足与临近部件配合关系的重要指标。

　　过关量是指发动机舱盖关闭过程中超过其设计位置的最大距离。该参数的预测值过大会导致其周边间隙偏大，影响美观；预测值过小，则会与周边零件干涉，形成砸痕。高置信度的过关量预测方法可以在开发初期阶段指导发动机舱盖的设计方向，以及指导周边零部件技术指标的设定。

　　过关量的预测涉及到材料、几何、边界及动态响应等问题，十分复杂。随着计算机软件的快速发展，有限元技术越来越广泛地应用于汽车领域，成为汽车设计的重要手段。本文采用显式动力分析软件LS-DYNA预测出发动机舱盖关闭时的过关量，同时进行相应的物理试验测量。通过数据对比，分析结果和试验数据非常接近。

　　有限元仿真模型的建立

　　发动机舱盖从某一高度关闭时，必须考虑其与附近部件的干涉情况（如不能砸到格栅），还要考虑锁机构的锁止刚度、缓冲块要充分吸能且支撑缓冲块的支架要有足够的强度等。所以，预测过关量的有限元分析模型应该包括：发动机舱盖总成、锁机构、缓冲块、相应的部分车身部件和蒙皮格栅等（见图1）。

图1   模拟发动机舱盖关闭的有限元模型

　　该过关量分析涉及很多零件的接触，关键接触部件（如发动机舱盖内板和缓冲块的接触、锁钩和卡扣的接触等）间单独建立面接触，其他零件采用自动单面接触，避免遗漏某些接触。

　　边界条件和载荷

　　有限元模型在车身侧铰链安装孔约束自由度1-6，截取的部分车身模型在截取位置约束自由度1-6，在蒙皮的安装孔约束自由度1-6。分析模型的初始状态为把发动机舱盖子系统开启微小角度，锁钩刚离开卡扣即可。考虑所有零件自身的重力，给发动机舱盖子系统附加一定的初始角速度。发动机舱盖关闭过程的运动轨迹可简化为数学模型（见图2）。

图2   发动机舱盖关闭过程的运动轨迹及简化后的数学模型

　　根据能量守恒：

　　其中：

　　H — 发动机舱开启高度 （技术规范提供）；

　　m — 发动机舱盖总成可旋转部分的质量；

　　g  — 重力加速度；

　　Θ— 转动惯量；

　　R — 发动机舱盖质心到旋转轴的距离；

　　L — 发动机舱盖最前端到旋转轴的距离。

　　ω: 发动机舱盖关闭瞬间的初始角速度

　　通过比例关系可计算得到发动机舱盖质心下降高度，进而得出发动机舱盖在关闭瞬间的初始角速度，作为分析模型的输入。

　　对比仿真与试验结果

　　仿真模型的状态是产品的设计状态，试验车辆的实际状态由于制造误差等原因和设计状态有差别，如发动机舱盖和前保蒙皮的间隙等。本文的目的是得到高置信度的过关量仿真测试方法，在产品开发早期指导产品设计，所以采用了设计状态的仿真模型。

　　1.仿真结果及分析

　　判断显式仿真结果可信度的一个重要标准是能量变化趋势和沙漏能占总能量的比重。在发动机舱盖关闭的过程中，整个系统的动能随着时间的推移逐渐转化为内能，而当发动机舱盖下降到最大位移时，缓冲块等部件的弹性应变能开始释放，部分内能开始转化为动能，少部分能量被阻尼和接触时的摩擦消耗了。测试结果显示，系统能量变化曲线可以看出看出，能量变化合理，而且系统沙漏能几乎为零，仿真结果可信（见图3）。

图3  系统能量变化曲线

　　预测发动机舱盖过关量的主要目的是避免其在以不同速度关闭时与周边部件发生干涉，所以前照灯、格栅及前保蒙皮附近是关键监测点。图4所示的测量点是前保险杠和前照灯过渡区域，如果发动机舱盖过关量过大，则会产生砸痕。本文即以此测试点为例，来描述过关量的仿真结果及与相应试验数据的对比情况。

图4  过关量测试点

　　过关量是指发动机舱盖关闭过程中超过其设计位置的最大距离，主要以垂直方向为主。如图5所示，“x”即为测试点在发动机舱盖关闭过程中的过关量。

图5  过关量的计算

　　2.影响仿真结果的因素

　　对本案例来说，影响仿真结果最重要的因素有：缓冲块的位置、高度、刚度曲线、缓冲块支架的刚度和锁系统的安装刚度等。其中缓冲块的位置对发动机舱盖的过关量最敏感，缓冲块离测试点的位置越近，测试点的过关量就越小，但是缓冲块的位置受到空间布置的限制；缓冲块的高度决定了设计状态下缓冲块与发动机舱盖内板的间隙，间隙越小，缓冲块就会越早起到限位作用，测试点的过关量也就越小。缓冲块初始状态过压1.25 mm，和缓冲块初始状态与内板有1.25 mm的间隙相比，同一测试点过关量的计算结果前者是后者的92.5％。

　　在一定的范围内，提高缓冲块的刚度可以减少测试点的过关量，将其刚度值增加到初始刚度的3倍，同一点的过关量可以减少到原来的92％，但是其刚度值增加到20倍时，同一点的过关量只减少到原来的88％，可见过度的增加缓冲块的刚度改善效果并不明显。而过刚的缓冲块会在内板产生磨痕，会使其支架产生永久变形，还可能产生噪声。缓冲块的支架刚度和锁系统的安装刚度越大，锁止和限位的作用就越大，测试点的过关量就会越小。

　　在本案例中，缓冲块的刚度曲线是从产品中随机抽取3个，进行试验得到。试验前缓冲块的高度都调整到设计位置。产品车中缓冲块支架和锁系统都与数模一致。所以影响过关量仿真结果的这些因素，在分析模型中都已经考虑到。

　　3.对比分析数据与试验结果

　　为了验证仿真方法的合理性，进行发动机舱盖过关量的试验。试验前，先检查发动机舱盖和周围部件的状态，将缓冲块调整到理论设计高度。在关闭状态下测出发动机舱盖和前保险杠之间的间隙，并放置具有记忆功能的弹性体。发动机舱盖从规定高度释放，自由下落关闭，压缩弹性体。发动机舱盖和前保险杠之间的间隙与弹性体压缩后高度的差值，即为测试得到的过关量。试验时，在发动机舱盖最前端放置测速仪，同时进行关闭速度的测量。

　　从同一批次车中，随机抽出6台进行过关量的测量。把这6台车的发动机舱盖从同一高度关闭，对规定的测试点进行过关量测量，并与仿真数据进行对比（见图6）。对同一台试验车，把发动机舱盖分别从不同高度关闭，对测试点进行过关量测量，并与相应的仿真结果进行对比（见图7）。

图6   同一高度仿真数据与试验结果对比

图7   不同高度仿真数据与试验结果对比

　　从对比数据可以看出，仿真结果略大于相应的试验数据，这是因为试验车辆不可避免的存在制造误差，如左右铰链没有相对于车辆中心完全对称等，而且试验中还会有空气阻力，发动机舱盖开启高度越高，空气阻力影响越大。仿真模型没有办法考虑这些因素。

　　仿真模型是产品的设计状态，仿真结果比试验数据略大，这与稍微保守的设计理念是一致的。利用有限元技术预测发动机舱盖过关量的方法完全可以指导产品设计。

　　结语

　　本文采用显式动力学仿真分析工具对发动机舱盖的关闭过程进行了模拟，预测出关键部位的过关量，同时对多辆车进行了同一高度关闭和同一辆车不同高度关闭的过关量的测试。对比结果显示，仿真结果与试验结果比较接近。预测过关量的有限元方法具有高置信性。

　　高置信度的过关量预测方法可以在产品开发初期参与设计，指导发动机舱盖及附近部件的设计，减少后期物理试验次数，节省成本，并能缩短产品开发周期，提高竞争力。