薄壁化保險杠的設(shè)計研究

劉永星

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 2300601）

薄壁化保險杠的設(shè)計研究

劉永星

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 2300601）

文章首先論述了薄壁化保險杠設(shè)計的一般要求，并分析了塑料薄壁化保險杠常用材料及材料的性能要求。文章重點討論了薄壁化保險杠在開發(fā)過程中所需關(guān)注的性能要求及設(shè)計要點。并通過一款薄壁化汽車保險杠的研發(fā)分析過程，對薄壁化保險杠研發(fā)的一般規(guī)律做了深入的論述。

薄壁化；保險杠；改性聚丙烯

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-38-03

引言

隨著國家對節(jié)能減排要求的進一步提高及中國汽車產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，汽車輕量化已成為汽車節(jié)能減排的重要途徑,已成為汽車發(fā)展的主潮流。而汽車零部件薄壁化設(shè)計技術(shù)一直是汽車輕量化發(fā)展的重要方向之一，零件的薄壁化設(shè)計水平已經(jīng)成為衡量各汽車設(shè)計中心技術(shù)能力的一個重要指標(biāo)。

作為汽車外裝飾表面積最大的零部件，汽車保險杠的薄壁化已成為各汽車廠家首選的降重方案。我們在進行保險杠薄壁化產(chǎn)品開發(fā)之時，需要詳盡分析保險杠薄壁化的設(shè)計優(yōu)勢，理解其所選材料的特點，并對薄壁化保險杠設(shè)計方案進行模擬對比評估。

1、薄壁化保險杠材料

表1 薄壁化保險杠材料性能對比表

聚丙?。≒P）是最輕的塑料之一，密度在0.9 g/cm3～0.91 g/cm3之間。應(yīng)用于汽車保險杠外殼，多加入三元乙丙橡膠（EPDM）、滑石粉等以改善其性能。改性聚丙烯材料技術(shù)的發(fā)展對于推進保險杠的薄壁化設(shè)計發(fā)揮了關(guān)鍵作用。配合改性技術(shù)的發(fā)展，改性聚丙烯材料的綜合性能也得到顯著提升。

根據(jù)原材料調(diào)查及統(tǒng)計，市場主流薄壁化保險杠應(yīng)用的改性PP材料與傳統(tǒng)PP材料性能對比如表1所示。

1.1 薄壁化保險杠優(yōu)勢分析

（1） 產(chǎn)品壁厚減薄，重量減輕。在滿足設(shè)計需求的條件下，單件使用材料減少。保險杠設(shè)計壁厚由傳統(tǒng)的3.0mm降低到2.5 mm，考慮到制件壁厚減薄會引起剛度下降，局部需增加加強結(jié)構(gòu)，產(chǎn)品減重率可達到10%左右。

（3）薄壁化產(chǎn)品收縮小，薄壁產(chǎn)品與車身的匹配以及生產(chǎn)過程中的尺寸質(zhì)量控制更加有效。相同材料的情況下，產(chǎn)品壁厚越薄收縮率越小。而收縮率降低將會有利于提高產(chǎn)品的尺寸穩(wěn)定性，從而減少產(chǎn)品裝配中的尺寸匹配問題。

2、薄壁化保險杠設(shè)計

2.1 薄壁化材料選擇

零件薄壁化設(shè)計選用的材料特點是較為明確的：高流動、高韌性、高強度和高剛性。

薄壁化材料開發(fā)技術(shù)路線可以概括如下：

（1）高流動。高流動材料才能滿足薄壁化產(chǎn)品成型需求。目前市場上熔融指數(shù)從0.1g／10min～1000g／10min的聚丙烯原料都有了商業(yè)化的成品，有效解決了改性聚丙烯流動性問題。

（2）高韌性。產(chǎn)品壁厚減薄使產(chǎn)品的沖擊強度即韌性降低，需對薄壁材料進行增韌。目前市場上已出現(xiàn)了多種新型的增韌改性劑，可有效提升改性聚丙烯材料的沖擊韌性。

（3）高強度和高剛性。產(chǎn)品壁厚減薄也會帶來制件強度和剛性的降低，需通過提高材料的屈服強度和彎曲模量加以彌補。為達到與傳統(tǒng)材料同樣的剛性要求，不同壁厚材料所對應(yīng)的彎曲模量要求如表2所示。

這就需要我們平時養(yǎng)成思考并解剖問題的習(xí)慣。這個對不少中國家長來說也有點挑戰(zhàn)，因為我們的教育經(jīng)驗大多是籠統(tǒng)整體式的，而不是西方教育所推崇的分析式。很多對成年人來說很簡單很普通的行為其實都隱含了大量知識背景在里面。

表2 不同壁厚對應(yīng)的模量要求

2.2 零部件性能要求

薄壁化保險杠主要性能要求見表3，薄壁化保險杠的設(shè)計一般應(yīng)遵照以下原則：

表3 零部件性能要求

1）為了提高保險杠強度，保險杠整個件不能都是2.5mm料厚，需均勻的增加部分區(qū)域料厚，如上下翻邊和鈑金的連接安裝點，可把保險杠做成變截面結(jié)構(gòu)，局部最大料厚可達3.5mm；

2）由于保險杠材料流動性較高，所以外觀特征不能有太多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，造型設(shè)計時要加以考慮外觀結(jié)構(gòu)比較簡單，無復(fù)雜的外觀造型；

3）由于保險杠壁厚較薄，故需在增加強度的地方需增加加強特征，在不影響外觀的情況下，在牌照板處增加加強的特征，可增強保險杠X向強度；

4）保險杠大面無復(fù)雜的結(jié)構(gòu)特征，整個區(qū)域是個大的平面。

5）通過對新型薄壁化材料的分析，結(jié)合保險杠產(chǎn)品特點，可以在滿足保險杠產(chǎn)品性能的條件下，減輕保險杠單件重量10%以上。

2.3 薄壁化保險杠的CAE模擬分析

為優(yōu)化薄壁化產(chǎn)品設(shè)計方案，需對薄壁化保險杠設(shè)計進行相應(yīng)CAE模擬分析,并根據(jù)保險杠安裝要求，通過CAE分析識別薄壁設(shè)計對保險杠模態(tài)和剛度的影響是否可以接受。

2.3.1保險杠模流分析

表5 產(chǎn)品分析結(jié)果

為滿足后期生產(chǎn)需要及產(chǎn)品品質(zhì)要求，需對薄壁化保險杠部件進行相關(guān)模具成型性分析，目前比較多的是通過模流分析，判斷產(chǎn)品成型可行性。表5和圖1是某款薄壁化保險杠產(chǎn)品模流分析結(jié)果。通過分析，此產(chǎn)品成型最大充填壓力為74.77MPa，最大鎖模力為2285.7T，產(chǎn)品整體充填平衡，無遲滯和短射現(xiàn)象；結(jié)合線結(jié)合溫度較高，痕跡不明顯，結(jié)合質(zhì)量好，產(chǎn)品整體收縮均勻。此款產(chǎn)品可以滿足生產(chǎn)制造要求。

圖1 產(chǎn)品模流分析示意圖

2.3.2 保險杠系統(tǒng)模態(tài)分析

產(chǎn)品厚度對保險杠系統(tǒng)模態(tài)的影響在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系。當(dāng)壁厚從傳統(tǒng)的3.0 mm減少到2.5 mm時，一階模態(tài)分析的頻率從24 Hz降低到23.5 Hz。通過模擬分析不同壁厚下的保險杠系統(tǒng)模態(tài)，可以有效預(yù)測壁厚減薄帶來的設(shè)計失效風(fēng)險。

2.3.3 保險杠剛度分析

以非薄壁設(shè)計為基礎(chǔ)模型，使用薄壁材料進行驗算，模擬保險杠靜態(tài)受力條件下剛度測試。因保險杠是對稱件，測量時選取如圖2中的測量點分別是保險杠表面從中部到右側(cè)的6個區(qū)域點，從分析數(shù)據(jù)來看，薄壁化保險杠產(chǎn)品與非薄壁設(shè)計狀態(tài)差別不大。并達到了前期設(shè)定剛度值≥10N/mm的要求。

從分析結(jié)果還可以看出，保險杠零件靜態(tài)受力條件下剛度表現(xiàn)與零件設(shè)計本身相關(guān)性較大，所以薄壁化產(chǎn)品方案設(shè)計過程中，務(wù)必考慮到零件本身的造型及其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計。

圖2 產(chǎn)品剛度分析

3、結(jié)論

本論文通過對薄壁化保險杠設(shè)計開發(fā)原則及流程的闡述，并通過對一種薄壁化保險杠的開發(fā)應(yīng)用實踐，對薄壁化保險杠開發(fā)作了全方位的論述。保險杠最終產(chǎn)品應(yīng)當(dāng)通過相應(yīng)的試驗驗證。對于有特殊需求車型的保險杠，保險杠的設(shè)計應(yīng)當(dāng)符合適用于其的各類法律法規(guī)，并滿足設(shè)計參數(shù)各項的要求。

伴隨著各汽車技術(shù)中心自主設(shè)計和制造能力的不斷提高，保險杠薄壁化設(shè)計將會被運用到越來越多的新項目設(shè)計中。汽車塑料零件的薄壁化過程必然是一個漸進的過程，材料特性也將會是一個不斷提高的過程。薄壁保險杠的開發(fā)，需要理論設(shè)計和實際制造相互推進，相互驗證材料和零件性能。

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Design And Application For Thin-wall Bumper

Liu Yongxing
（Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601）

This paper firstly discusses the general requirements of thin-wall bumper design and analysis of thin-wall plastic bumper material commonly used materials and performance requirements of the material. This paper focuses on the thin-wall bumper of the necessary attention during the development process and design of regulatory requirements. Combined with a thin-wall bumper of the development process, the general rules on the bumper research and development done in-depth discussion.

thin-wall; bumper; PP+EPDM

U462.1

A

1671-7988(2017)02-38-03

劉永星（1983-），男，內(nèi)外飾設(shè)計主管，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，從事汽車外飾件設(shè)計開發(fā)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.013