基于剛度要求的SUV車型尾門輕量化研究

李多，代德才，王帥，李凱

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于剛度要求的SUV車型尾門輕量化研究

李多，代德才，王帥，李凱

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

將傳統(tǒng)金屬材質(zhì)的汽車尾門用塑料材質(zhì)替換，在保證剛度的情況下實現(xiàn)尾門輕量化意義重大。以某款SUV車型尾門為研究對象，對其內(nèi)板、外板材料進(jìn)行替換，內(nèi)板采用PPGF40-0455，外板采用PP-TD20，并對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計更改，利用Hypermesh軟件進(jìn)行有限元仿真計算，分析尾門在五種工況下的剛度情況，針對不能滿足性能目標(biāo)的工況給出局部結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方向，在質(zhì)量增加較少的前提下實現(xiàn)了尾門剛度值的大幅度提升。最終在滿足剛度目標(biāo)的同時，實現(xiàn)了尾門材質(zhì)的以塑代鋼，實現(xiàn)了尾門輕量化。

塑料尾門；剛度；優(yōu)化；輕量化

CLC NO.: U462.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-106-04

前言

汽車輕量化水平已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展上的一個關(guān)鍵方向。研究發(fā)現(xiàn)：汽車整備質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%~8%，CO2的排放也會大幅度下降。此外，對整車的操控性、駕駛性都有很大提高，因此對汽車零部件實現(xiàn)輕量化來減少整車質(zhì)量顯得尤為重要[1]。零部件輕量化途徑有很多，一般可分為三大類，第一類是通過CAE進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化來實現(xiàn)輕量化；第二類是通過更改材料來實現(xiàn)輕量化（以塑代鋼等）；第三類是對汽車零件進(jìn)行精益化設(shè)計來實現(xiàn)輕量化。三種方式中輕量化效果最為明顯的為第二種，同時也是最具有挑戰(zhàn)的一種，必須在改變零部件材料的同時滿足剛度性能指標(biāo)。因此本文以某款SUV車型尾門為研究對象，對其進(jìn)行材料替換，在保證剛度滿足性能目標(biāo)的前提下，實現(xiàn)尾門減重。

1 塑料尾門的剛度分析方法

尾門的剛度計算模型一般包括：尾門內(nèi)外板、局部加強(qiáng)版、帶鉸鏈（或不帶鉸鏈）、后風(fēng)擋玻璃等。根據(jù)實際的工況要求，在前期開發(fā)過程中，對尾門進(jìn)行CAE分析時，主要考察以下五種工況。

（1）尾門鎖點彎曲剛度（無鉸鏈）。如圖1所示，在尾門鉸鏈位置限制六個方向自由度，在緩沖塊位置添加Y’（垂直于鉸鏈軸和鎖點所在平面，以下所有局部坐標(biāo)系都用此來表示）方向約束，鎖點位置添加Y’方向載荷，載荷大小300N，鎖點為測量點。

圖1 尾門彎曲剛度計算模型（無鉸鏈）

（2）尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈）。如圖2所示，在尾門鉸鏈位置限制六個方向自由度，在鎖點位置添加Y’方向約束，在兩緩沖塊位置添加240Nm（沿鉸鏈軸和鎖點所在平面的法線方向）的扭矩，加載點作為測量點。

圖2 尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度計算模型（帶鉸鏈）

（3）尾門單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度[2]（帶鉸鏈）。如圖3所示，在尾門鉸鏈位置限制六個方向自由度，在緩沖塊位置添加Y’方向約束，在另一緩沖塊位置添加Y’方向載荷，載荷大小為100N，加載點作為測量點。

圖3 尾門單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度計算模型（帶鉸鏈）

（4）尾門中部剛度（無鉸鏈）。如圖4所示，在尾門鉸鏈位置限制六個方向自由度，在緩沖塊位置添加Y’方向約束，鎖點位置添加X’、Y’方向約束，另一緩沖塊位置添加Y’方向載荷，載荷大小為100N，加載點作為測量點。

（5）尾門角剛度（無鉸鏈）。如圖5所示，在尾門鉸鏈位置限制六個方向自由度，在緩沖塊位置添加Y’方向約束，鎖點位置添加X’、Y’方向約束，另一緩沖塊位置添加Y’方向載荷，載荷大小100N，加載點作為測量點。

圖4 尾門中部剛度計算模型（無鉸鏈）

圖5 尾門角剛度計算模型（無鉸鏈）

通過以上工況來實現(xiàn)塑料尾門的剛度分析。

2 五種工況下的塑料尾門剛度分析

基本的塑料尾門分析工況已經(jīng)確定完成，由于原有的尾門內(nèi)外板材質(zhì)為金屬的，因此，在用塑料材質(zhì)來替換傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)時需要對原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)母?，這里參考競品車型尾門的內(nèi)外板結(jié)構(gòu)來對研發(fā)車型的尾門進(jìn)行初版的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

2.1 塑料尾門3D模型的建立

對于尾門內(nèi)板、外板結(jié)構(gòu)的制定。該SUV車型金屬尾門的內(nèi)板厚度為0.6mm，外板厚度為0.7mm，質(zhì)量為15kg。塑料尾門的內(nèi)外板厚度制定主要參考競品車型來實現(xiàn)。分析競品車型塑料尾門的結(jié)構(gòu)，實際量取競品車型尾門內(nèi)外板厚度，均在2.5mm~3.0mm之間。根據(jù)以上信息設(shè)計尾門結(jié)構(gòu)，定義研發(fā)車型塑料尾門的內(nèi)外板厚度≤3.0mm，經(jīng)計算得到初版尾門內(nèi)外板質(zhì)量為9.95Kg，同傳統(tǒng)金屬尾門相比已經(jīng)實現(xiàn)了輕量化設(shè)計，但是由于塑料材質(zhì)的剛度性能小于金屬材質(zhì)，所以需要對在上述狀態(tài)下的塑料尾門進(jìn)行剛度分析，考察五種工況下的剛度值是否滿足目標(biāo)值。

2.2 塑料尾門有限元模型的建立

在Hypermesh中建立塑料尾門的有限元模型，尾門模型包括尾門內(nèi)板、外板、鎖加強(qiáng)板、鉸鏈背板、雨刮電機(jī)加強(qiáng)板及局部加強(qiáng)板。內(nèi)板與外板采用粘接形式連接在一起，加強(qiáng)板采用螺接形式進(jìn)行連接。

尾門內(nèi)板材料采用PPGF40-0455，材料參數(shù)[3]：E=6510 Mpa；外板采用PP-TD20，材料參數(shù)[3]：E=2684Mpa；加強(qiáng)板材料參數(shù)：E=Mpa。

2.3 塑料尾門剛度分析結(jié)果

采用準(zhǔn)靜態(tài)分析方法對尾門的五種工況進(jìn)行分析[4]。分析結(jié)果如表1所示，其中尾門彎曲剛度、尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈）及尾門單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈）工況狀態(tài)最差，三種工況下的位移云圖如圖6、7、8所示。

表1 塑料尾門剛度分析結(jié)果（優(yōu)化前）

圖6 尾門彎曲剛度（不帶鉸鏈）

圖7 尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈）

圖8 尾門單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈）

圖9 尾門彎曲剛度（不帶鉸鏈）設(shè)變位置

圖10 尾門扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈）設(shè)變位置

尾門彎曲剛度分析結(jié)果為270.3N/mm，與目標(biāo)值≥300N/mm相差較大，其它兩個工況接近目標(biāo)值，因此考慮對鎖點位置進(jìn)行設(shè)計更改來提升剛度，對內(nèi)板緩沖塊位置結(jié)構(gòu)更改來提升扭轉(zhuǎn)剛度。如圖9、10所示。

3 塑料尾門的剛度優(yōu)化分析

3.1 尾門彎曲剛度更改方案

根據(jù)CAE計算結(jié)果判斷，尾門鎖點位置局部剛度較弱，不能滿足目標(biāo)要求。分析數(shù)據(jù)更改方向，由于鎖點位置的加載為Y’方向，因此在該方向上進(jìn)行設(shè)計變更會有助于剛度提升，更改后的方案如圖11所示。增加兩排加強(qiáng)筋，厚度1.5mm來提升Y’方向的剛度。

圖11 尾門彎曲剛度提升方案

尾門單、雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度的提升。改變尾門緩沖塊位置筋的結(jié)構(gòu)形式及筋的厚度，實現(xiàn)剛度提升。尾門兩側(cè)對稱設(shè)計。如圖12所示。

圖12 尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度提升方案

3.2 尾門剛度優(yōu)化分析結(jié)果

對設(shè)變后的尾門結(jié)構(gòu)重新建模，進(jìn)行CAE分析，得到五

個工況下的剛度分析結(jié)果如表2、圖13、14、15所示。

表2 塑料尾門剛度分析結(jié)果（優(yōu)化后）

圖13 尾門彎曲剛度（不帶鉸鏈，優(yōu)化后）

圖14 尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈，優(yōu)化后）

圖15 尾門單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度（帶鉸鏈，優(yōu)化后）

通過CAE分析發(fā)現(xiàn)，五種工況下尾門剛度值都有顯著提升，其中針對尾門彎曲剛度提升的方案，鎖點位置變形量由1.106mm改善到0.995mm，剛度值由270.3N/mm改善到301.05N/mm，達(dá)到目標(biāo)值≥300 N/mm；尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度、單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度都有小幅度提高，均滿足性能要求。由于結(jié)構(gòu)更改的方向在于局部增加筋及材料厚度，所以導(dǎo)致質(zhì)量有小幅度增加，但塑料材質(zhì)的低密度特性，使質(zhì)量增加很小，評估后結(jié)果為0.26Kg，因此考慮到在質(zhì)量增加較小的情況下尾門剛度有較大幅度的提升，因此平衡質(zhì)量和剛度兩類性能，最終采取該方案作為塑料尾門的剛度提升方案。

在尾門的質(zhì)量方面，也得到了明顯的改善，經(jīng)計算，塑料尾門內(nèi)外板的質(zhì)量為10.21g，而傳統(tǒng)金屬尾門的質(zhì)量為15kg，減重達(dá)31.9%，效果明顯。

4 結(jié)論

文章以滿足剛度要求來進(jìn)行輕量化設(shè)計為目的，將傳統(tǒng)的金屬材質(zhì)尾門用塑料材質(zhì)來替換，并通過CAE分析五種工況下尾門的剛度情況，找到剛度最弱的工況，針對材料變更后所帶來的剛度變?nèi)鯁栴}，對尾門局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，使尾門的剛度性能達(dá)到目標(biāo)，同時實現(xiàn)尾門的輕量化設(shè)計。

[1] 韓旭,朱平,余海東,郭永進(jìn),林忠欽,高新華,顧鐳,楊晉,徐有忠.基于剛度和模態(tài)性能的轎車車身輕量化研[J]汽車工程,2007年（第29卷）第7期.

[2] 杜明艷.某車型尾門扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化分析[J] 汽車科技,2015（1）：46-51.

[3] 邢號彬,付燕鵬,譚敦松,傅強(qiáng),楊永超,陳健.復(fù)合材料尾門輕量化設(shè)計[J]上海汽車,2017 (2) :37-39.

[4] 韓嘯,侯文彬,胡平.車身薄壁梁結(jié)構(gòu)剛度特性的仿真研究[J]汽車技術(shù),2011（12）：8-13.

Vehicle Centroid Height Calculation and Research on Deviation Analysis

Li duo, Dai Decai, Wang Shuai, Li Kai
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Using the Plastic to replace traditional metal on the vehicle material and satisfying the stiffness targer are very important. The TG of SUV is taken as the research object, material of the TG inner panel and outer panel are replaced,PPGF40-0455 is used for inner panel and PP-TD20 is used for outer panel, then making design changes for the structure,FEM simulation was carried out in HyperMesh, and analyzing the stiffness of TG under five different conditions, giving the optimum structure way to TG and making it satisfy the stiffness targer, the TG stiffness is promoted substantially when increasing the little mass. At last, Using the plastic to replace traditional metal is achieved and light weight of TG is achieved,at the same time the stiffness targer is achieved.

Plastics TG; stiffness; optimization; lightweight

U462.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-106-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.036

李多，就職于華晨汽車工程研究院。