SMC復(fù)合材料汽車翼子板設(shè)計(jì)及性能研究

李波 周波

摘 要：隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重和能源危機(jī)不斷加劇，汽車輕量化已成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要研究方向。本文采用新型SMC復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材作為汽車車身翼子板用材，在保證性能要求的前提下，通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝優(yōu)化實(shí)現(xiàn)減重20%的目標(biāo)，并通過(guò)約束模態(tài)和抗凹性仿真分析及翼子板性能試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證了SMC復(fù)合材料翼子板方案的合理性。

關(guān)鍵詞：SMC 輕量化 翼子板 設(shè)計(jì) 性能

1 前言

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重和能源危機(jī)不斷加劇，以改善汽車性能、提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放等為目的的汽車輕量化開(kāi)發(fā)已成為現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)的重要方向。研究表明，汽車每減重10%，可降5%～8%的燃油消耗量;汽車重量每減輕100kg，每行駛1km的CO2 排放量可減少12.5g[1]。

SMC是一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，且具有絕緣隔熱、抗腐蝕、耐老化、設(shè)計(jì)自由度大、尺寸穩(wěn)定性好的特點(diǎn)[2]，其制造工藝簡(jiǎn)單，可用于生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，目前已廣泛應(yīng)用于汽車輕量化開(kāi)發(fā)過(guò)程中。SMC作為一種新型復(fù)合材料，目前已成功應(yīng)用于國(guó)內(nèi)外多款車型的外覆蓋件，如路虎攬勝、Jaguar F-Pace、雪鐵龍DS6等車型的尾門(mén);雪鐵龍C8、福特F150等翼子板。

2 SMC材料特性

SMC翼子板等汽車外覆蓋件開(kāi)發(fā)過(guò)程中，通常采用A級(jí)表面SMC材料，其配方包括不飽和聚酯樹(shù)脂、玻璃纖維、填料、低收縮添加劑（LPA）等。樹(shù)脂選擇需要保證產(chǎn)品具有良好的表面質(zhì)量和剛性，從而克服二次加工時(shí)的變形，以達(dá)到所需的精度[3];玻璃纖維長(zhǎng)度一般為25-30mm，并對(duì)材料強(qiáng)度及剛度性能起決定性作用;LPA低收縮添加劑主要是用于降低材料收縮率，減少成型后表面波紋度，從而改善SMC產(chǎn)品表面質(zhì)量。

本研究翼子板開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用的SMC材料性能參數(shù)如表1。

3 翼子板設(shè)計(jì)

3.1 翼子板性能要求

翼子板作為白車身的重要組成部分，必須具備良好的抵抗變形和沖擊的能力。翼子板相關(guān)性能要求如下：1）在滿足工藝和裝配要求情況下，與原車型周邊件間隙面差要求一致，與鈑金相比，減重效果不小于20%;2）SMC復(fù)合材料翼子板一階約束模態(tài)≥50Hz，抗凹性達(dá)到或接近原有鋼制翼子板性能（約束狀態(tài)下，75mm的圓柱加載90N，最大變形不大于5mm）;3）滿足《GB 11566乘用車外部突出物》、《GB 7063汽車護(hù)輪板》和《GB/T 24550汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù)》等法規(guī)要求。

3.2 翼子板方案設(shè)計(jì)

本文以某量產(chǎn)車型翼子板為研究對(duì)象，利用SMC材料進(jìn)行替代設(shè)計(jì)。鈑金結(jié)構(gòu)厚度0.65mm，材料B180H1，屈服強(qiáng)度為237MPa，密度7.86g/cm3，彈性模量為210000MPa。根據(jù)等剛度計(jì)算結(jié)果獲得SMC復(fù)合材料翼子板產(chǎn)品初始厚度，然后結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助技術(shù)，對(duì)SMC復(fù)合材料翼子板進(jìn)行多輪計(jì)算機(jī)仿真分析和校驗(yàn)，可得到最佳設(shè)計(jì)方案。

某車型翼子板最終采用主體料厚為2.3mm的SMC復(fù)合材料，翼子板與前保險(xiǎn)杠、前組合燈配合、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、A柱、三角窗、前門(mén)外板、下裙板及輪罩配合的凸緣進(jìn)行增厚加強(qiáng)，其厚度為3.0mm。前門(mén)外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩及A柱配合位置倒扣結(jié)構(gòu)通過(guò)斜頂/滑塊實(shí)現(xiàn)翼子板模壓模具整體成型工藝。與鋼制翼子板相比，SMC翼子板模具成本低、輕量化效果明顯;與其他類型塑料翼子板（PP或PA/PPO）相比，SMC翼子板可皆具輕量化、可在線涂裝、無(wú)色差、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)[4]。

4 性能仿真分析及驗(yàn)證

4.1 重量

采用鋼材的傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)翼子板厚度為0.65mm，重量為2.21kg;通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SMC復(fù)合材料翼子板翼子板重量為1.75kg。

由以上比較克制，與傳統(tǒng)鈑金翼子板相比，SMC復(fù)合材料翼子板減重效果約為20.3%，滿足預(yù)期20%的減重目標(biāo)要求。

4.2 模態(tài)分析

采用Hyperworks軟件，將設(shè)置好的模態(tài)及剛度選項(xiàng)卡片的載荷工況提交給Optistruct求解器求解，通過(guò)Hyperview后處理軟件得到SMC復(fù)合材料翼子板約束模態(tài)云圖如圖1所示。

鋼制翼子板及SMC復(fù)合材料翼子板模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比如表2。模態(tài)分析結(jié)果顯示，SMC復(fù)合材料翼子板模態(tài)分析結(jié)果滿足一階模態(tài)≥50Hz的設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

4.3 抗凹性分析及試驗(yàn)

4.3.1 抗凹性分析

抗凹性直接決定翼子板抗變形能力，抗凹性若不滿足要求會(huì)導(dǎo)致翼子板變形、外觀不良及行駛過(guò)程中產(chǎn)生噪音等問(wèn)題，嚴(yán)重影響車身品質(zhì)[5]。翼子板抗凹性分析點(diǎn)位置如圖2所示，加載點(diǎn)最大變形見(jiàn)表3，加載點(diǎn)最大變形分析云圖如圖3所示。

4.3.2 抗凹性試驗(yàn)

抗凹性是指車身覆蓋件承受外部載荷作用時(shí)抵抗凹陷彎曲及局部凹痕變形，保持形狀完整的能力，它是評(píng)價(jià)和反映覆蓋件使用性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。

對(duì)成型后的SMC復(fù)合材料翼子板進(jìn)行抗凹性試驗(yàn)，約束狀態(tài)下，采用直徑為75mm的木質(zhì)圓柱，垂直于待測(cè)翼子板表面以90N的力進(jìn)行加載，同時(shí)測(cè)量加載點(diǎn)位移。每測(cè)試點(diǎn)重復(fù)測(cè)量3次，并計(jì)算平均值，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。

4.4 振動(dòng)試驗(yàn)

4.4.1 共振振動(dòng)耐久試驗(yàn)

將SMC復(fù)合材料翼子板在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上，使其處于正常使用狀態(tài)，并在8.3-50Hz內(nèi)進(jìn)行共振點(diǎn)掃頻，結(jié)果表明：SMC翼子板在8.3-50Hz范圍內(nèi)無(wú)明顯共振點(diǎn)，無(wú)需進(jìn)行共振振動(dòng)耐久試驗(yàn)。

4.4.2 振動(dòng)耐久試驗(yàn)

將SMC翼子板固定在振動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架上，使其處于正常使用狀態(tài)。按照振動(dòng)頻率33Hz，振動(dòng)加速度30 m/s2進(jìn)行試驗(yàn)，振動(dòng)次數(shù)按照X/Y/Z 向各25/25/50萬(wàn)次，測(cè)試環(huán)境溫度按照-40℃、23℃、90℃分別進(jìn)行低溫，常溫和高溫測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明：振動(dòng)耐久試驗(yàn)后翼子板結(jié)構(gòu)完整性好，無(wú)裂紋、扭曲、破損等不良現(xiàn)象。

4.5 低溫落球沖擊

將零件安裝在模擬支架或車身上使其處于正常使用狀態(tài)，并置于環(huán)境溫度為-40℃±2℃的低溫箱內(nèi)4h，在冷凍狀態(tài)下用直徑50mm±1mm，質(zhì)量500g±5g的鋼球，從1000mm±20mm的高度進(jìn)行落球沖擊試驗(yàn)，落球?qū)χ破氛孢M(jìn)行沖擊。下圖4測(cè)試結(jié)果表明：低溫落球沖擊后，SMC復(fù)合材料翼子板表面應(yīng)無(wú)斷裂、裂痕等不良現(xiàn)象。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)采用SMC復(fù)合材料替代鋼材進(jìn)行翼子板輕量化設(shè)計(jì)，并根據(jù)SMC材料特性制作一體式整體模壓成型翼子板，極大地簡(jiǎn)化了復(fù)合材料翼子板成型工藝。與鋼制翼子板相比，新型SMC復(fù)合材料翼子板減重效果可達(dá)20%，相關(guān)仿真分析及試驗(yàn)結(jié)果表明：SMC復(fù)合材料完全可滿足翼子板性能要求。

參考文獻(xiàn)：

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