碳纖維復(fù)合材料汽車翼子板構(gòu)件的設(shè)計(jì)及性能分析

馮 奇

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司,上海 201804)

0 前言

翼子板是遮蓋車輪的車身外板，在汽車行駛過程中防止被車輪卷起的砂石、泥漿等飛濺，保護(hù)車身，增加汽車車身的使用壽命。同時(shí),翼子板還要滿足汽車外造型，并給保險(xiǎn)杠、擋泥板、組合燈、轉(zhuǎn)向燈等汽車外飾件及附件提供安裝支撐，因此需要具有一定的承受載荷和抵抗變形的能力[1-5]。隨著汽車產(chǎn)業(yè)中關(guān)于車身材料輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，碳纖維作為輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維材料已被廣泛應(yīng)用于制備一些樹脂基復(fù)合材料以實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能的增強(qiáng)[6-9]。由于翼子板屬于車身覆蓋件，其外板造型不能隨意改變，因此在使用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行翼子板的設(shè)計(jì)開發(fā)受到原件造型限制，對(duì)其非造型面的局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)或在其造型面內(nèi)側(cè)增加材料和支撐結(jié)構(gòu)，這也使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)受到了極大的限制[10-12]。

筆者根據(jù)碳纖維復(fù)合材料翼子板的結(jié)構(gòu)要求，對(duì)其非造型面的局部結(jié)構(gòu)或在造型面內(nèi)側(cè)增加材料和加強(qiáng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。以上汽EP11新能源車的翼子板結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，使用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代原來的鈑金材料，在保證翼子板設(shè)計(jì)性能要求的前提下，充分考慮翼子板的裝配關(guān)系，采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)方法對(duì)翼子板結(jié)構(gòu)進(jìn)行正向設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。翼子板形狀基本保持不變，對(duì)其各設(shè)計(jì)硬點(diǎn)之間的連接部位，優(yōu)化翼子板各區(qū)域的尺寸的厚度參數(shù)。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)選用XB 3585樹脂(享斯近化工貿(mào)易上海有限公司)、Aradur 3487固化劑(亨斯邁化工貿(mào)易上海有限公司)作為基體樹脂材料，以臺(tái)麗TC-33 3K碳纖維(宜興恒亞碳纖維公司)作為增強(qiáng)碳纖維材料。原料基本性能指標(biāo)見表1和表2。

表1 基體材料及固化劑基本性能

表2 增強(qiáng)碳纖維基本性能

1.2 樣品制備

翼子板的幾何模型的基本尺寸為780 mm×170 mm，在重心位置留有一個(gè)澆口。整體灌注成型過程包括：模具表面處理、碳纖維鋪層、鋪放輔助材料、抽真空(真空度為-0.07～-0.08 MPa)、灌注配置樹脂、固化、脫模、切割及打磨、小件連接、油漆及拋光處理。

1.3 性能測(cè)試與表征

1.3.1 碳纖維復(fù)合材料翼子板主體結(jié)構(gòu)

原鋼制翼子板為單片鋼板多序沖壓成型，厚度為0.65 mm。充分考慮碳纖維復(fù)合材料制造工藝和翼子板的裝配關(guān)系，并保證造型面和硬點(diǎn)安裝面不變，通過向造型面內(nèi)改變板厚及采用加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行碳纖維翼子板主體設(shè)計(jì)。將原鋼制翼子板三維模型導(dǎo)入Catia軟件中，利用曲面設(shè)計(jì)模板中的抽取面功能，將設(shè)計(jì)硬點(diǎn)要求的各造型面及裝配面提取出來，選擇在主體造型面外側(cè)或垂直于主體造型面的裝配面與主體一體成形。利用曲面橋接功能設(shè)計(jì)裝配面與主體造型面之間的連接曲面，將設(shè)計(jì)的曲面加厚即可得到翼子板三維主體模型。翼子板主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果見圖1：翼子板主體與部分硬點(diǎn)一體成形；部分硬點(diǎn)與翼子板主體的過渡面采用簡(jiǎn)單曲面，并消除局部凸起結(jié)構(gòu)；為了部分硬點(diǎn)剛度，在翼子板內(nèi)表面增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；注意消除與裝配件的干涉。

(a) 翼子板裝配硬點(diǎn)圖

(b) 翼子板變厚度設(shè)計(jì)圖

1.3.2 碳纖維復(fù)合材料翼子板裝配硬點(diǎn)設(shè)計(jì)

硬點(diǎn)連接翼子板及周圍的裝配件，其設(shè)計(jì)要求有足夠的剛度，并且與周圍裝配件不發(fā)生干涉。為了方便碳纖維復(fù)合材料翼子板的制造加工，部分需要單獨(dú)設(shè)計(jì)加工，并通過膠接形式與碳纖維復(fù)合材料翼子板主體相連，膠接采用改性環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠(23 ℃時(shí)，剪切強(qiáng)度約為38 MPa)。原翼子板結(jié)構(gòu)中，部分硬點(diǎn)與翼子板主體之間有較長(zhǎng)的連接面，連接曲面復(fù)雜，并有加強(qiáng)筋，不利于碳纖維復(fù)合材料硬點(diǎn)的制造成形。在新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)中，用曲面橋接功能在裝配面與主體造型面之間建立簡(jiǎn)單曲面，避免了局部結(jié)構(gòu)突變導(dǎo)致過渡圓角過小引起的碳纖維復(fù)合材料分層以及碳纖維扭曲或斷裂，改善硬點(diǎn)的制造性。新設(shè)計(jì)硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)與原結(jié)構(gòu)比較見圖2。

(a) 原結(jié)構(gòu)1 (b) 原結(jié)構(gòu)2 (c) 原結(jié)構(gòu)3 (d) 原結(jié)構(gòu)4 (e) 原結(jié)構(gòu)5 (f) 原結(jié)構(gòu)6

(g) 新結(jié)構(gòu)1 (h) 新結(jié)構(gòu)2 (i) 新結(jié)構(gòu)3 (j) 新結(jié)構(gòu)4 (k) 新結(jié)構(gòu)5 (l) 新結(jié)構(gòu)6

圖2 翼子板裝配面

將設(shè)計(jì)得到的翼子板安裝點(diǎn)結(jié)構(gòu)與翼子板主體連接即可得到滿足設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要求和制造要求的碳纖維復(fù)合材料翼子板結(jié)構(gòu)。利用有限元方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料翼子板性能進(jìn)行仿真分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 碳纖維復(fù)合材料翼子板有限元模型

碳纖維復(fù)合材料翼子板在實(shí)際使用過程中主要承受靜態(tài)載荷，且結(jié)構(gòu)在厚度方向尺寸與其他方向尺寸相比很小，采用殼單元對(duì)翼子板主體和硬點(diǎn)結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化處理。使用Altair公司的Hypermesh軟件進(jìn)行幾何清理和網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格基本尺寸為8 mm，單元類型為S4R和S3。螺栓采用剛性單元模擬，加強(qiáng)結(jié)構(gòu)、單獨(dú)成形硬點(diǎn)與翼子板主體連接用Coupling模擬。有限元模型見圖3，殼單元總數(shù)為11 249，其中三角形單元數(shù)量為392，所占比例為3.48%。

圖3 Hypermesh中翼子板有限元模型

在完成翼子板結(jié)構(gòu)網(wǎng)格的劃分后，為了保證計(jì)算過程的順利進(jìn)行，同時(shí)確保仿真結(jié)果的精度，需要對(duì)建立的有限元模型的連續(xù)性和網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查。若存在不連續(xù)的部位，可通過軟件中的縫合功能將不連續(xù)的節(jié)點(diǎn)通過定義合理的距離容差連接起來。殼單元網(wǎng)格質(zhì)量的檢查指標(biāo)通常為網(wǎng)格的翹曲度、長(zhǎng)寬比、最小角度和最大角度、雅可比值以及三角形網(wǎng)格數(shù)目比例等。一般翹曲度應(yīng)不大于10，長(zhǎng)寬比應(yīng)小于5，網(wǎng)格最小角度不小于30°，最大角不大于120°，而雅可比值一般不小于0.6，三角形單元數(shù)目占網(wǎng)格總數(shù)的比例應(yīng)小于5%。

根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)翼子板網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行檢查，結(jié)果表明所建立的模型質(zhì)量完全滿足計(jì)算精度要求，可用于下一步的仿真分析。再將Hypermesh中的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus軟件中，在每個(gè)平面或者接近平面的曲面內(nèi)，建立一個(gè)局部坐標(biāo)系用于定義碳纖維復(fù)合材料的鋪層方向，見圖4。

圖4 Abaqus中翼子板有限元模型

2.2 主體剛度評(píng)價(jià)

翼子板邊界條件見圖1(a)，約束安裝硬點(diǎn)六個(gè)自由度，定義球形加載器載荷(220 N)和重力載荷，在外板幾何中心的最大無支撐區(qū)施加載荷。球形加載器的直徑為25.4 mm，由于加載球頭硬度比碳纖維復(fù)合材料高許多，并且在分析過程中只關(guān)注翼子板應(yīng)力和變形即可，因此在仿真分析時(shí)球頭可以作為剛體處理。進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料翼子板剛度和抗凹性分析時(shí)，在Abaqus軟件中建立球頭的解析剛體模型，并在軟件中進(jìn)行球頭和翼子板的相對(duì)位置的裝配以保證加載位置的準(zhǔn)確。為了保證加載過程的模擬，需要定義球頭與翼子板之間的接觸。選擇球頭表面為主面，翼子板接觸面為從面，定義接觸屬性為硬接觸。

翼子板主體剛度計(jì)算結(jié)果見圖5和表3(其中，S11為x軸向的應(yīng)力，S22為y軸向的應(yīng)力，S12為yz平面上沿y向的剪力)。由表3可以看出：翼子板主體在載荷加載點(diǎn)受到最大應(yīng)力為108.30 MPa，最小應(yīng)力為-80.99 MPa，小于碳纖維復(fù)合材料壓縮強(qiáng)度，沒有發(fā)生材料失效。位移最大值為2.14 mm，小于普遍車企標(biāo)準(zhǔn)要求的7.5 mm，剛度為102.80 N/mm。

(b) S22應(yīng)力云圖

(c) S12應(yīng)力云圖

(d) 位移云圖

表3 翼子板主體剛度計(jì)算結(jié)果 MPa

2.3 主體抗凹性評(píng)估

在圖3中約束安裝硬點(diǎn)六個(gè)自由度，定義球形加載器載荷(150 N)和重力載荷，在外板幾何中心的最大無支撐區(qū)施加載荷。碳纖維復(fù)合材料翼子板主體抗凹性計(jì)算結(jié)果見圖6和表4。由表4可以看出:翼子板主體在載荷加載點(diǎn)受到最大應(yīng)力為73.62 MPa，最小應(yīng)力為-6.13 MPa，分別小于碳纖維復(fù)合材料拉伸和壓縮強(qiáng)度，沒有發(fā)生材料失效。位移最大值為1.46 mm，碳纖維復(fù)合材料為脆性材料，因此無塑性變形，滿足抗凹性要求。

表4 翼子板主體抗凹性計(jì)算結(jié)果 MPa

2.4 翼尖剛度評(píng)價(jià)

翼尖為翼子板中經(jīng)常承受載荷的位置，計(jì)算翼尖剛度時(shí)，約束安裝硬點(diǎn)的六個(gè)自由度，并分別在上角點(diǎn)、下角點(diǎn)和前角點(diǎn)三點(diǎn)處依次施加載荷50 N和重力載荷，見圖7。

(a) S11應(yīng)力云圖

(b) S22應(yīng)力云圖

(c) S12應(yīng)力云圖

(d) 位移云圖

圖7 翼尖剛度評(píng)估邊界條件

在測(cè)試中，當(dāng)施加了50 N的力后，翼尖剛度計(jì)算結(jié)果見圖8和表5。由圖8可以看出，自施力點(diǎn)向周圍應(yīng)力逐漸減小。由表5可以看出:受力時(shí),上角點(diǎn)、下角點(diǎn)和前角點(diǎn)的剛度分別為1 644.74 N/mm、1 190.48 N/mm和1 231.53 N/mm，均遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)設(shè)計(jì)要求所規(guī)定的50 N/mm，表現(xiàn)出較大的剛度。

(a) 上角點(diǎn)位移云圖

(b) 下角點(diǎn)位移云圖

2.5 環(huán)境試驗(yàn)

碳纖維覆蓋件的碳纖維、樹脂原材料及工藝方案相同，以翼子板為代表進(jìn)行高溫試驗(yàn)、耐候性試驗(yàn)及干熱氣候光照試驗(yàn)，試驗(yàn)后翼子板未出現(xiàn)可見表面缺陷及其他失效現(xiàn)象。翼子板環(huán)境試驗(yàn)箱及試驗(yàn)后翼子板件見圖9、圖10。

圖9 碳纖維翼子板環(huán)境試驗(yàn)箱

圖10 試驗(yàn)后翼子板

2.6 臺(tái)車試驗(yàn)

2.6.1 振動(dòng)耐久試驗(yàn)

將裝有等效配重載荷的碳纖維復(fù)合翼子板構(gòu)件放至于振動(dòng)臺(tái)上(見圖11)，對(duì)其進(jìn)行x、y、z三方向共計(jì)100萬次振動(dòng)耐久試驗(yàn)(x方向加速度為±2.5g，頻率為5 Hz，40萬次試驗(yàn)；y方向加速度為±1.5g，頻率為5 Hz，20萬次試驗(yàn)；z方向加速度為(-1±2.5)g，頻率為5 Hz，40萬次試驗(yàn)),評(píng)估其疲勞耐久性能。試驗(yàn)結(jié)束后翼子板部分經(jīng)檢查未見損傷，疲勞耐久性能滿足設(shè)計(jì)要求。

圖11 碳纖維集成框架震動(dòng)耐久試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)

2.6.2 模擬砌塊路耐久試驗(yàn)

將碳纖維復(fù)合翼子板裝配在實(shí)車上，并對(duì)車輛進(jìn)行配重，使用裝有仿砌塊路路面的四輪轉(zhuǎn)鼓試驗(yàn)臺(tái)模擬砌塊道路，轉(zhuǎn)鼓以40 km/h的相對(duì)速度轉(zhuǎn)動(dòng)，模擬車輛在砌塊道路上的運(yùn)行，經(jīng)過1 600 km的模擬試驗(yàn)驗(yàn)證碳纖維零部件的實(shí)車耐久性能。試驗(yàn)過程中及試驗(yàn)結(jié)束后檢查碳纖維復(fù)合翼子板部件，未發(fā)現(xiàn)異常及可見失效，試驗(yàn)結(jié)果顯示被測(cè)碳纖維翼子板部件滿足設(shè)計(jì)要求。

2.6.3 實(shí)車示范運(yùn)行評(píng)價(jià)

將碳纖維翼子板部件搭載在E50整車上分別在大連、北京、佛山市等城市進(jìn)行巡游展示。通過實(shí)車示范運(yùn)行展示上汽開發(fā)的碳纖維典型零部件及關(guān)鍵技術(shù)，驗(yàn)證碳纖維零部件可靠性。實(shí)車示范運(yùn)行結(jié)束后檢查碳纖維汽車翼子板部件，未發(fā)現(xiàn)異常顯現(xiàn)，驗(yàn)證了碳纖維翼子板部件的可靠性。

3 結(jié)語

筆者在保證造型面及邊界圓角、安裝配合面及安裝孔不變的前提下，采用碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行正向設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案在有限元仿真中進(jìn)行驗(yàn)證，分析結(jié)果表明：施加220 N后，翼子板主體變形最大值為2.14 mm，小于標(biāo)準(zhǔn)要求的7.5 mm，剛度為102.80 N/mm，滿足剛度要求；施加150 N后，翼子板主體變形最大值為1.46 mm，最大應(yīng)力為73.62 MPa，最小應(yīng)力為-6.13 MPa，分別小于碳纖維復(fù)合材料拉伸和壓縮強(qiáng)度，沒有發(fā)生材料失效，不發(fā)生永久變形，滿足抗凹性要求；翼尖剛度及硬點(diǎn)剛度都滿足性能要求。碳纖維復(fù)合材料翼子板整體減重達(dá)到38.46%，實(shí)現(xiàn)了輕量化目標(biāo)。碳纖維復(fù)合翼子板部件在振動(dòng)耐久性、模擬砌塊路耐久性、實(shí)車示范運(yùn)行等臺(tái)車試驗(yàn)階段未發(fā)現(xiàn)異常顯現(xiàn)，具有較高的運(yùn)行可靠性。