基于性能要求的汽車尾門輕量化設計研究

王俊峰　陳美玉　王峻峰

摘 要：文章以某車型的尾門為研究對象，基于等性能原則，將傳統(tǒng)鋼材質(zhì)的尾門內(nèi)外板替換為塑料材質(zhì)，并對其結(jié)構(gòu)進行設計更改，利用Hypermesh軟件對塑料尾門的性能進行有限元仿真分析，在實現(xiàn)剛度等性能目標的同時實現(xiàn)尾門的輕量化設計，最終尾門實現(xiàn)減重37%。

關(guān)鍵詞：尾門;塑料;剛度;輕量化

中圖分類號：U465? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）03-75-04

前言

隨著全球汽車保有量的不斷增多，全球能源危機和環(huán)境污染日益嚴重，因此對汽車節(jié)能減排的要求也不斷提高。據(jù)統(tǒng)計，汽車重量每減輕10%，油耗可降低6%-8%，尾氣排放可下降4%。汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要措施，也是當代汽車發(fā)展的必然趨勢。汽車輕量化設計主要有2 種方式：（1）設計更加合理的結(jié)構(gòu)，從而避免過設計;（2）采用新材料替換原有傳統(tǒng)材料，通常采用鋁合金、鎂合金、復合材料等輕型材料或高強度鋼替代普通低碳鋼提高性能，減輕重量[1]。

二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。因此本文以某車型尾門為研究對象，將鋼材質(zhì)的尾門內(nèi)外板替換為塑料材質(zhì)，在保證剛度滿足性能目標的前提下，實現(xiàn)尾門的減重。

1 塑料尾門的設計開發(fā)

1.1 傳統(tǒng)鋼材質(zhì)尾門總成結(jié)構(gòu)

尾門總成由尾門外板與內(nèi)板焊接總成構(gòu)成（圖1），外板與內(nèi)板焊接總成通過包邊工藝實現(xiàn)連接，尾門內(nèi)板總成由內(nèi)板與加強件通過點焊構(gòu)成。尾門外板材質(zhì)為B170P1，板厚為0.7mm;尾門內(nèi)板材質(zhì)為DC06，板厚為0.6mm。

1.2 塑料尾門設計

對于尾門設計來說，不論是傳統(tǒng)鋼材料尾門還是塑料材質(zhì)尾門，其性能要求都是一樣的，例如剛度、模態(tài)和耐久等性能。對于塑料尾門，如何滿足剛度性能，往往是塑料尾門設計的難點。

1.2.1 塑料尾門內(nèi)、外板材質(zhì)確定

目前市場上配置塑料尾門的車型，尾門外板材料均為PP熱塑性材料，尾門內(nèi)板根據(jù)選用的成型工藝不同，往往選擇熱塑性材料的PP+LGF或熱固性材料SMC[2]。本尾門輕量化方案中，尾門外板采用PP+EPDM+TD20材料，尾門內(nèi)板采用PP-LGF40-0455材料，尾門加強件的材料與原鋼結(jié)構(gòu)加強件材質(zhì)相同。尾門內(nèi)、外板及加強件的材料技術(shù)參數(shù)見表1。

1.2.2 塑料尾門內(nèi)、外板厚度確定

在以往的設計中，將傳統(tǒng)鋼板沖壓零件替換為低密度合金板材沖壓件時，替換后的板材厚度可以通過等剛度替換理論的下式（1）計算得出。

若基于等剛度替換理論確定塑料尾門內(nèi)、外板的厚度，這樣計算得出的內(nèi)外板厚度會很厚，無法滿足注塑工藝要求。因此，等剛度替換理論不適合塑料尾門設計，塑料尾門內(nèi)外板厚度確定應以注塑工藝要求為基準確定。選擇料厚時需考慮注塑模具壓力，外板表面抗凹性及澆口布置等因素，通常塑料尾門內(nèi)外板要滿足注塑工藝要求，主體厚度需設計在3mm以下。結(jié)合競品車測量數(shù)據(jù)，最終選定塑料尾門外板主體厚度為3mm，尾門內(nèi)板主體厚度為2.5mm。

1.2.3 塑料尾門結(jié)構(gòu)設計

在塑料尾門設計時，如不考慮車型配置分色要求，尾門可以設計為集成擾流板、左右側(cè)飾板、牌照燈飾板及部分內(nèi)飾。由于原車型后擾流板及左右側(cè)飾板與尾門本體分色不同，綜合考慮成型工藝因素，僅將牌照燈飾板與尾門外板集成一體（圖2）。尾門內(nèi)板與尾門加強件采用螺釘緊固連接（圖3），尾門外板與尾門內(nèi)板采用聚氨酯膠粘合連接，聚氨酯膠技術(shù)參數(shù)為：彈性模量 5MPa、泊松比 0.393（23度）、密度1.26g/ml。

2 尾門剛度性能分析

2.1 塑料尾門有限元模型的建立

將塑料尾門幾何模型導入Hypermesh前處理軟件中，經(jīng)過抽取中面，幾何清理及網(wǎng)格劃分等操作，其中網(wǎng)格劃分盡量采用四邊形單元，且三角形單元數(shù)不超過單元總數(shù)的5%。尾門模型主要包括內(nèi)板、外板及加強板等。建立局部坐標系：取尾門鎖點與鉸鏈軸建立局部坐標系。在該局部坐標系中，x方向為鉸鏈軸方向，y方向為鉸鏈軸與鎖點確定平面的法線方向。

2.2 性能分析標準

2.2.1 尾門彎曲剛度分析

約束條件見圖4，載荷工況：在尾門鎖點處施加y向300N的載荷。

2.2.2 尾門雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度分析

約束條件見圖5，載荷工況：在尾門兩側(cè)緩沖塊位置沿y方向施加240Nm扭矩。

2.2.3 尾門單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度分析

約束條件見圖6，載荷工況：在尾門左側(cè)緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

2.2.4 尾門中部剛度分析

約束條件見圖7，載荷工況：在尾門中部緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

2.2.5 尾門角剛度分析

約束條件見圖8，載荷工況：在尾門下部緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

2.3 性能分析對比

依據(jù)2.2節(jié)分析標準對塑料尾門的彎曲剛度、雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度、單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度、中部剛度、角剛度進行分析，各工況下的位移云圖如圖9～13所示，剛度分析結(jié)果見表2。通過分析比對可知，塑料尾門剛度性能均滿足設計目標要求。

3 輕量化效果分析

為得到塑料尾門減重效果，將塑料尾門與原鋼材質(zhì)尾門模型進行比較（見表3），通過數(shù)據(jù)對比可知塑料尾門相比鋼材質(zhì)尾門約減重37%。

4 總結(jié)

文章以滿足剛度性能要求為目標來進行尾門輕量化設

計，將傳統(tǒng)的鋼材質(zhì)尾門用塑料材質(zhì)來替換，并對尾門結(jié)構(gòu)進行設計更改，通過對各工況下尾門的剛度進行有限元仿真分析，在尾門剛度性能達到目標的同時，實現(xiàn)尾門的輕量化設計。

參考文獻

[1] 付燕鵬，葉瑜合，譚敦松.鋁合金發(fā)動機罩蓋的優(yōu)化設計[J]汽車實用技術(shù)，2018（12）.

[2] 王韜，扈福民，劉其文.塑料材料在尾門里板上的應用[J].裝備維修技術(shù)，2018（03）.

[3] 李飛，黃小征，王帥.碳纖維發(fā)動機蓋的性能分析及試驗驗證[J].汽車實用技術(shù)，2019（10）.