前保险杠总成是车身结构的重要组成部件，主要的结构件有蒙皮，格栅系统，下扰流板，防撞杆等组成。前保险杠总成作为一个综合的子系统，除外观要求之外，应具有足够的强度、刚度和良好的振动特性，并且要满足发动机罩闭合时耐冲击性及正面碰撞，行人保护等各项性能的要求。因此它的结构性能直接关系到整个子系统设计的成功与否，以及整车品质的好坏和成本的高低。
格栅系统是前保险杠总成重要的一部分，主要由上格栅，下格栅组成，它是保持车身造型，使车身符合空气动力学要求并且为散热器、冷凝器和制动系统提供空气流的外饰零件。
上格栅螺栓孔区域强度有限元分析
背景描述：
上格栅与车身钣金件多采用螺栓连接，试制过程中少部分车辆出现上格栅螺栓孔区域开裂，造成格栅与钣金件连接失效的情况（如图 2）经研究造成格栅的连接失效原因有两点：1，螺栓预紧力过大，造成格栅的连接失效；2，发动机罩开合对格栅的冲击过大，造成格栅的连接失效。为了准确再现以上两种工况，找出造成格栅的连接失效的原因，我们收集了以下信息：
1，因发动机罩与上格栅仅仅通过发动机罩上的减震垫来接触，试验过程中当发动机罩闭合时，我们测出了该减震垫对上格栅造成的最大冲击载荷值；(如图 1)
2，图纸上标明，失效处螺栓拧紧力矩约为 10.5N.mm；
3，材料信息，尤其是格栅，减震垫非线性材料的详细信息。
基于以上背景，所以本次分析考虑以下两种工况：
1，考虑螺栓预紧力对上格栅螺栓孔区域造成的影响；
2，螺栓预紧后，发动机罩闭合对上格栅产生的冲击，对上格栅螺栓孔区域造成的影响；
图 1 模拟发动机罩对上格栅冲击
图 2 上格栅螺栓失效
有限元模型的建立
将保险杠总成的 CAD 模型导入到 HyperMesh 中, 进行网格划分。整个保险杠总成主要由薄壁注塑件组成,因此采用壳单元进行结构离散, 为了更真实地反映出上格栅失效螺栓孔区域应力，应变大小，失效处螺栓孔区域采用六面体单元进行模拟。发动机罩上的减震垫采用六面体单元模拟，为简化模型，减震垫与发动机罩连接部分简化为刚性单元来替代刚性的发动机罩，对单元长宽比、翘曲、歪斜角等单元参数进行控制。（如图 3）
图 3 保险杠总成有限元模型（局部）
载荷输入
为了更真实模拟螺栓预紧工况，应分别建立好螺栓头法兰面与上格栅，上格栅与支撑，螺母法兰面与支撑接触对，接触类型为 contact pair，在螺杆承载断面上创建接触面 Pre-tension section ，定义接触面法向方向；创建接触类型为 Pre-tension section，指定 Pre-tension section 控制点 Pre-tension node，控制点必须为跟模型分开的独立点，螺栓预紧力就施加在该控制点上，因控制点只有 1（X 轴）方向自由度；所以螺栓预紧方向为沿 X 轴方向（如图 4），由公式可以算出螺栓预紧力大小。
其中：T：螺栓拧紧力矩；D：螺栓公称直径；F：螺栓预紧力
T=10.5N.m
图 4 模拟螺栓预紧
发动机罩与上格栅仅通过发动机罩上的减震垫接触，为了更真实模拟发动机罩闭合时上格栅造成的冲击，应建立好减震垫与格栅之间接触对，接触类型为 contact pair，发动机罩采用刚性单元来替代，根据试验测定减震垫对上格栅最大冲击载荷，对减震垫上表面刚性单元（简化的刚性发动机罩）施加载荷，方向竖直向下。
图 5 发动机罩对上格栅冲击载荷施加
上格栅螺栓孔区域分析结果
运用 ABAQUS 求解器进行计算得到：
结论
运用 ABAQUS 求解器计算分析得到，造成在试制过程中出现极少部分车辆出现上格栅螺栓孔周围开裂的原因是：在装配过程中上格栅的螺栓预紧力过大，引起螺栓孔附近应力偏大，比较接近格栅材料的极限拉伸强度，有可能会对格栅螺栓孔附近造成破坏。发动机罩关闭时对格栅产生的冲击对上格栅螺栓孔附近区域产生影响很小，不是造成上格栅开裂的主要原因。通过 CAE 分析结果，同时兼顾保证此处螺栓连接足够的预紧力，试验过程中我们通过更改抗拉强度更好的格栅材料，成功地解决了格栅连接失效问题。
ABAQUS 软件有效地解决螺栓预紧对上格栅产生的影响，准确预测出上格栅产生开裂的原因，为设计和试验提供了有力的支持，加速了产品开发过程，降低了产品开发风险。
资料来源：达索官方
