前機(jī)蓋復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

楊宇威， 田宇黎， 孫艷亮

(北京新能源汽車(chē)股份有限公司， 北京 102606)

·研究與應(yīng)用·

前機(jī)蓋復(fù)合材料輕量化設(shè)計(jì)及優(yōu)化研究

楊宇威， 田宇黎， 孫艷亮

(北京新能源汽車(chē)股份有限公司， 北京 102606)

長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(LFT)是一種優(yōu)異的輕量化材料，在汽車(chē)零部件中的應(yīng)用具有廣泛前景。汽車(chē)前機(jī)蓋通常采用鋼質(zhì)材料制造，為實(shí)現(xiàn)輕量化要求，可采用LFT材料進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。但LFT材料與鋼制材料在剛度、強(qiáng)度方面均存在較大差異，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)滿足結(jié)構(gòu)剛度要求。由此，對(duì)復(fù)合材料前機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化進(jìn)行了研究，開(kāi)展了CAE分析驗(yàn)證，并對(duì)比分析寶馬i3前機(jī)蓋性能，提出了復(fù)合材料前機(jī)蓋的設(shè)計(jì)方向。結(jié)果表明，復(fù)合材料前機(jī)蓋與原鋼制前機(jī)蓋相比較，其彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度達(dá)原鋼制前機(jī)蓋的80%，質(zhì)量較原前機(jī)蓋減少30個(gè)百分點(diǎn)。

輕量化； 復(fù)合材料； LFT； 汽車(chē)

0 前言

為了提高汽車(chē)的舒適性及安全性，同時(shí)減少汽車(chē)質(zhì)量和油耗，輕量化技術(shù)越來(lái)越受到汽車(chē)制造領(lǐng)域的關(guān)注，尤其被新能源汽車(chē)領(lǐng)域所關(guān)注。通過(guò)近幾年的發(fā)展，輕量化技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)逐步形成以輕量化材料、輕量化工藝以及輕量化結(jié)構(gòu)為主要方向的發(fā)展模式，其中又以輕量化材料應(yīng)用的空間更為廣闊，研究也更為廣泛。

在輕量化材料中，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(LFT)因其力學(xué)性能優(yōu)異[1-2]、成型效率高、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有廣闊的發(fā)展前景。典型應(yīng)用的車(chē)型有奔馳Smart，該車(chē)型的外覆蓋件為全塑材料，其后尾門(mén)內(nèi)板、前端支架均采用了LFT-D的材料。奔馳汽車(chē)公司認(rèn)為，采用該材料及工藝方法，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可在零部件尺寸增大、碰撞要求增加的情況下不增加產(chǎn)品的質(zhì)量；同時(shí)由于所有LFT零部件幾乎可通過(guò)單套設(shè)備一次成型制造，從而降低了生產(chǎn)成本。德國(guó)寶馬2002款Mini Platform車(chē)的前端支架也是質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的長(zhǎng)玻纖LFT-PP塑料應(yīng)用的典型代表，其整體設(shè)計(jì)的前端支架集成了散熱器、喇叭、冷凝器等約20個(gè)前端部件，產(chǎn)品的質(zhì)量大幅度減少，制造成本大幅度降低[3]。此外，寶馬i3除其車(chē)身結(jié)構(gòu)為碳纖維復(fù)合材料外，也在多處使用了長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料，如：前機(jī)蓋內(nèi)板、儀表板本體總成、翼子板安裝支架、后尾門(mén)內(nèi)板等?？傮w來(lái)說(shuō)，主機(jī)廠主要傾向采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP材料替代工程塑料和金屬，制造高度集成的部件，應(yīng)用于混合動(dòng)力和電動(dòng)車(chē)輛的組件中、發(fā)動(dòng)機(jī)艙區(qū)以及其他半結(jié)構(gòu)材料中，從而達(dá)到輕量化目的并降低了生產(chǎn)成本。

隨著主機(jī)廠對(duì)LFT材料的認(rèn)識(shí)和應(yīng)用，更多的材料及汽車(chē)零部件制造商和研究院所關(guān)注LFT材料、零部件設(shè)計(jì)及成形工藝的研究。國(guó)外有Basf公司、Sabic公司、Celanese公司、 LG Hausys公司等；國(guó)內(nèi)有上海耀華大中新材料有限公司、中材汽車(chē)(北京)復(fù)合材料有限公司、金發(fā)科技股份有限公司等。現(xiàn)階段，在汽車(chē)領(lǐng)域LFT-PP用量占LFT-PP 產(chǎn)量的80%以上，且有繼續(xù)增加的趨勢(shì)[3-4]。

本文將針對(duì)LFT復(fù)合材料，對(duì)前機(jī)蓋輕量化可行性進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)前機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化及CAE分析對(duì)比其與替代鋼制前機(jī)蓋的性能關(guān)系，并對(duì)比寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋性能數(shù)據(jù)，提出前機(jī)蓋以塑代鋼的設(shè)計(jì)方向。

1 復(fù)合材料前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 前機(jī)蓋功能分析

汽車(chē)前機(jī)蓋屬于汽車(chē)覆蓋件，用于構(gòu)成車(chē)身前端外觀，并具有覆蓋前機(jī)艙的作用，在碰撞過(guò)程中承擔(dān)少部分碰撞吸能及行人安全保護(hù)的功能。因此在前機(jī)蓋的設(shè)計(jì)中需要考慮外觀及結(jié)構(gòu)件的性能要求，在保護(hù)前艙零部件的同時(shí)，要求具備A級(jí)表面外觀；需要在汽車(chē)行駛過(guò)程中有效隔絕發(fā)動(dòng)機(jī)或者電機(jī)等前機(jī)艙零部件帶來(lái)的噪聲及熱量，減少汽車(chē)給環(huán)境帶來(lái)的噪聲污染；此外，要求前機(jī)蓋具有一定的剛度和抗凹形，但又不能過(guò)強(qiáng)，以防止在碰撞過(guò)程中對(duì)行人造成嚴(yán)重的傷害。

1.2 材料選擇

由此，本文對(duì)前機(jī)蓋的整體選材為：外板選用PP+EPDM材質(zhì)，利用PP材料優(yōu)良的成型性及表面特性，滿足對(duì)表面質(zhì)量及造型的要求；內(nèi)板選用LFT(長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)PP)材質(zhì)，利用LFT的良好的力學(xué)性能及成型性，增強(qiáng)前機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)性能；鎖扣、鎖扣固定板和加強(qiáng)板、鉸鏈及鉸鏈加強(qiáng)板均沿用原鋼制材料。前機(jī)蓋用材特性如表1所示。

表1 前機(jī)蓋用材特性表

1.3 前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文目標(biāo)零件的原始設(shè)計(jì)的內(nèi)、外板結(jié)構(gòu)均為鋼板材料，經(jīng)拉深、修邊、翻邊等工藝制成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3.1 復(fù)合材料主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于該前機(jī)蓋為成熟車(chē)型的零部件，結(jié)構(gòu)邊界已經(jīng)確定，復(fù)合材料前機(jī)蓋的設(shè)計(jì)主要采用逆向設(shè)計(jì)的方法。外板沿用原造型，材料選用PP(聚丙烯)，并以2 mm厚度為基礎(chǔ)進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化；前機(jī)蓋內(nèi)板采用LFT(長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性材料，基體樹(shù)脂為聚丙烯)，優(yōu)化內(nèi)板結(jié)構(gòu)筋肋，據(jù)前機(jī)蓋剛度需求進(jìn)行局部適度加厚及加筋加強(qiáng)，在允許的范圍內(nèi)增加各內(nèi)、外板和夾芯的厚度。最終形成前機(jī)蓋設(shè)計(jì)。復(fù)合材料前機(jī)蓋3D數(shù)模如圖2所示。

圖1 原鋼制前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)

圖2 復(fù)合材料前機(jī)蓋3D數(shù)模

1.3.2 連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在重點(diǎn)連接部位前端鎖扣位置保留了原金屬前機(jī)蓋的鎖扣固定板及鎖扣加強(qiáng)板。鎖扣固定板與加強(qiáng)板焊接并與LFT內(nèi)板粘接，鉸鏈加強(qiáng)板則預(yù)埋于內(nèi)板鉸鏈安裝部位，以增強(qiáng)連接強(qiáng)度。

2 CAE分析

在前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，分別針對(duì)原前機(jī)蓋及復(fù)合材料前機(jī)蓋(基礎(chǔ)設(shè)計(jì))的扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度和模態(tài)進(jìn)行了CAE仿真分析及對(duì)比。仿真分析求解器采用Nastran求解器，網(wǎng)格類(lèi)型為CQUAD4單元和少量CTRIA3單元，鉸鏈用四面體單元CTETRA表示，網(wǎng)格平均尺寸為4 mm。

2.1 扭轉(zhuǎn)剛度CAE分析

在扭轉(zhuǎn)剛度CAE分析中分別約束車(chē)身側(cè)鉸鏈安裝點(diǎn)的所有自由度，約束鎖扣中心處SPC：2 356(局部坐標(biāo))自由度，在緩沖塊處沿開(kāi)啟方向施加F為100 N的力偶進(jìn)行分析，如圖3所示。分析結(jié)果為：在此狀態(tài)下，鋼制前機(jī)蓋的扭轉(zhuǎn)剛度為208 N·m/(°)，復(fù)合材料前機(jī)蓋的扭轉(zhuǎn)剛度為86 N·m/(°)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料前機(jī)蓋的扭轉(zhuǎn)剛度無(wú)法達(dá)到鋼制前機(jī)蓋的性能。

2.2 彎曲剛度CAE分析

在彎曲剛度CAE分析中，分別約束車(chē)身側(cè)鉸鏈安裝點(diǎn)的所有自由度，約束緩沖塊處開(kāi)啟方向自由度，并在鎖扣中心處沿開(kāi)啟方向施加F為100 N的力，如圖4所示。分析結(jié)果如下：鋼制前機(jī)蓋的彎曲剛度為107 N/mm，而復(fù)合材料前機(jī)蓋彎曲剛度為40 N/mm，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的復(fù)合材料前機(jī)蓋的彎曲剛度無(wú)法達(dá)到鋼制前機(jī)蓋的性能。

圖3 前機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度約束示意

圖4 前機(jī)蓋彎曲剛度約束示意

2.3 模態(tài)分析

在鋼制前機(jī)蓋及復(fù)合材料前機(jī)蓋所有零部件安裝完全的數(shù)?；A(chǔ)上，進(jìn)行自由模態(tài)分析。經(jīng)分析，復(fù)合材料機(jī)蓋一階模態(tài)基本達(dá)到鋼制模型需求。同時(shí)，由于電動(dòng)車(chē)與傳統(tǒng)燃油車(chē)相比，沒(méi)有發(fā)動(dòng)機(jī)這一振動(dòng)源，前機(jī)蓋需要避免的共振頻率主要來(lái)自于輪胎及路面，這一激勵(lì)頻率小于傳統(tǒng)燃油車(chē)，因此，允許電動(dòng)車(chē)的前機(jī)蓋較燃油車(chē)偏低。鋼制前機(jī)蓋與復(fù)合材料前機(jī)蓋模態(tài)分析對(duì)比如表2所示。

表2 鋼制模型與復(fù)合材料前機(jī)蓋模態(tài)

3 復(fù)合材料前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

通過(guò)以上設(shè)計(jì)及分析可見(jiàn)，單純按照材料特性以完全逆向的設(shè)計(jì)進(jìn)行復(fù)合材料前機(jī)蓋設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)性能與金屬前機(jī)蓋的結(jié)構(gòu)性能具有相當(dāng)大的差距，無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，需對(duì)復(fù)合材料前機(jī)蓋進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于前機(jī)蓋外板受造型的限制，結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要針對(duì)內(nèi)板進(jìn)行，并主要進(jìn)行扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度的優(yōu)化。在原內(nèi)板設(shè)計(jì)上增加橫向加強(qiáng)梁，沿內(nèi)板邊線增加加強(qiáng)筋，與外板形成閉合的盒裝結(jié)構(gòu)，并增加高度方向截面的厚度，以提升剛度；同時(shí)優(yōu)化局部厚度，以獲得質(zhì)量與剛度性能的平衡，最終形成優(yōu)化方案。圖5為內(nèi)板優(yōu)化過(guò)程。圖6為優(yōu)化前后CAE分析對(duì)比。

(a) 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)模型

(b) 優(yōu)化方案1

(c) 優(yōu)化方案2

扭轉(zhuǎn)剛度

彎曲剛度

一階模態(tài)

扭轉(zhuǎn)剛度

彎曲剛度

一階模態(tài)

3.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)性能對(duì)比

通過(guò)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行分析得知，隨著內(nèi)板加強(qiáng)筋及厚度的增加與優(yōu)化，前機(jī)蓋的質(zhì)量逐步上升，彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度也隨之增加，前機(jī)蓋中部的加強(qiáng)筋肋對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度及彎曲剛度影響較大，而在前機(jī)蓋兩側(cè)的結(jié)構(gòu)加強(qiáng)對(duì)彎曲剛度影響較大，對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度影響較小。通過(guò)對(duì)內(nèi)板的優(yōu)化，復(fù)合材料前機(jī)蓋在質(zhì)量增加21.8個(gè)百分點(diǎn)的基礎(chǔ)上，扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分別可達(dá)172 N·m/(°)和81 N/mm，較基礎(chǔ)設(shè)計(jì)增加1倍；扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度均達(dá)到原鋼制模型80%左右，較原鋼制前機(jī)蓋減少質(zhì)量30個(gè)百分點(diǎn)，具有較好的輕量化效果。

4 復(fù)合材料前機(jī)蓋性能對(duì)標(biāo)分析

由于復(fù)合材料前機(jī)蓋最終優(yōu)化結(jié)果未能完全達(dá)到金屬前機(jī)蓋的性能，為驗(yàn)證前機(jī)蓋的性能指標(biāo)，對(duì)寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋性能進(jìn)行了測(cè)試和分析，并與本文中設(shè)計(jì)的前機(jī)蓋性能進(jìn)行比對(duì)。從測(cè)試及對(duì)比分析數(shù)據(jù)(見(jiàn)表3)可以看到，寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋一階模態(tài)為28.18 HZ，低于傳統(tǒng)車(chē)通常要求(30～35 HZ)。這是因?yàn)樾履茉窜?chē)無(wú)發(fā)動(dòng)機(jī)怠速產(chǎn)生的激勵(lì)，且寶馬i3是后置后驅(qū)車(chē)型，可接受前機(jī)蓋模態(tài)低于30 HZ頻率。

表3 幾種前機(jī)蓋性能對(duì)比分析

此外，本文中鋼制前機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度208 N·m/(°)，彎曲剛度107 N/mm；基于鋼制前機(jī)蓋設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的復(fù)合材料前機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度172 N·m/(°)，彎曲剛度 81 N/mm； 而寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度58 N·m/(°) 、彎曲剛度144 N/mm，可以看到寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋較通常鋼制前機(jī)蓋的扭轉(zhuǎn)剛度顯著降低，但彎曲剛度高于通常鋼制前機(jī)蓋?？紤]整車(chē)碰撞情況，寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度測(cè)試數(shù)據(jù)與鋼制前機(jī)蓋參數(shù)出現(xiàn)顯著差異的原因可能是由于復(fù)合材料無(wú)塑性變形，因而復(fù)合材料前機(jī)蓋不會(huì)在碰撞時(shí)產(chǎn)生潰縮，在碰撞過(guò)程中極有可能彈出或切入乘員艙，從而對(duì)行人或駕駛員產(chǎn)生傷害，不利于汽車(chē)的碰撞安全性。因此可推測(cè)寶馬i3在設(shè)計(jì)前機(jī)蓋時(shí)，通過(guò)加強(qiáng)前機(jī)蓋橫向結(jié)構(gòu)，使前機(jī)蓋碰撞變形時(shí)產(chǎn)生潰縮，而這樣的前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致彎曲剛度增加，扭轉(zhuǎn)剛度降低。

5 結(jié)論

(1) 通過(guò)對(duì)前機(jī)蓋的設(shè)計(jì)與優(yōu)化，復(fù)合材料前機(jī)蓋與原鋼制前機(jī)蓋相比較，其彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度達(dá)原鋼制前機(jī)蓋的80%，質(zhì)量較原前機(jī)蓋減少30個(gè)百分點(diǎn)，具有良好的輕量化效果。

(2) 對(duì)比寶馬i3復(fù)合材料前機(jī)蓋性能可知：復(fù)合材料前機(jī)蓋的性能要求應(yīng)有別于鋼制機(jī)蓋，針對(duì)復(fù)合材料前機(jī)蓋，應(yīng)更關(guān)注其彎曲剛度，而由于質(zhì)量較輕，在實(shí)際使用工況過(guò)程中，扭轉(zhuǎn)剛度要求可降低。同時(shí)由于電動(dòng)車(chē)前機(jī)艙噪聲和振動(dòng)特點(diǎn)，對(duì)于模態(tài)要求也低于原鋼制前機(jī)蓋。

(3) 復(fù)合材料前機(jī)蓋的設(shè)計(jì)不應(yīng)通過(guò)逆向原鋼制前機(jī)蓋設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，需要根據(jù)復(fù)合材料性能、碰撞特性以及電動(dòng)車(chē)的需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，調(diào)整復(fù)合材料前機(jī)蓋剛度，尤其需考慮增加前機(jī)蓋橫向結(jié)構(gòu)弱化縱向結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)在碰撞時(shí)的可潰縮。

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Study on Lightweight Design and Optimization of Composite Hood

YANGYu-wei,TIANYu-li,SUNYan-liang

(Beijing Electric Vehicle Co.， Ltd.， Beijing 102606， China)

Long glass fiber reinforced thermoplastic composites (LFT) is an excellent lightweight material, it has a wide range of applications prospects in automobile field. Car hood is usually made of steel materials. In order to achieve lightweight requirements, it can be make from LFT materials. However, the structural design and optimization is necessary because the stiffness, strength of LFT materials and steel materials is significant different. In this study, the structural design and optimization of the composite material hood are studied, and the CAE analysis is carried out. Through the study and benchmarking with BMW i3’s hood, the design direction of composite material hood is put forward. The results show that the flexural rigidity and torsional rigidity of the composite hood can reach 80% of that of the original steel hood, and the weight is reduced by 30 percentage points.

lightweight； composite materials； LFT； automobile

北京市科委科技計(jì)劃項(xiàng)目(Z161100001416006)。

楊宇威(1986—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車(chē)材料管控、汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

TB 332

A

1009-5993(2017)02-0013-05

2017-04-06)