基于有限元分析的塑料尾門扭轉剛度仿真研究

（寧波華翔汽車技術有限公司，寧波 315033）

0 引言

隨著能源危機和環(huán)境污染加劇，汽車輕量化逐步成為汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要途徑之一。研究表明約75%的油耗與整車質量相關，降低汽車質量就可以有效的降低油耗及排放。有研究表明，汽車質量每下降10%，油耗下降8%[1]，CO2排放可以降低10g/km[2]。

汽車尾門作為車身閉合件系統(tǒng)的重要組成部分，承擔著開啟關閉及封閉的功能。傳統(tǒng)尾門主要采用鋼材，由于鋼材具有高密度使得整車重量增加。以塑代鋼技術是車身輕量化的重要手段。塑料尾門可降低尾門重量并改善內部阻尼，減重比可達到20%～30%[3,4]。

本文以某車身塑料尾門為研究對象，對自由模態(tài)、扭曲剛度、彎曲剛度等工況進行分析，針對扭曲剛度進行不同方向的結構優(yōu)化，對其中改善結果最好的方案進行進一步的仿真研究。

1 塑料尾門結構及材料

尾門系統(tǒng)通常包括尾門內板、尾門外板、加強板、鉸鏈、限位器、門鎖、氣彈簧、外手柄和密封條等，其布置設計的好壞與尾門的模態(tài)、剛度和抗凹性有直接的關系。對于結構分析來說，一般包括內外板、加強件、連接件等。塑料尾門一般內外板采用塑料件，用膠壓合進行連接。常用的外板材料采用PP+EPDMT20，PPO+PA或SMC，內板采用SMC或PP-LGF[5]。圖1為不同材料性能對比分析，綜合對比，PP材料（外板PP+EPDM-T20，內板為PP-LGF）具有密度低、成本低、生產效率高且強度滿足產品要求的優(yōu)點，目前已成為塑料尾門材料的發(fā)展趨勢[6,7]。

圖1 內外板性能對比

2 塑料尾門性能分析

2.1 有限元模型建立

將塑料尾門3D模型簡化后導入Hypermesh軟件中，簡化模型包含外板、內板、加強件及膠，內板與外板采用膠粘接連接，加強板與內板采用螺栓連接，模型結構如圖2所示。

尾門外板材料采用PP+EDPM-20TD，厚度1.5mm；內板為PP+40LFG，厚度2.5mm；加強板采用鋼材，厚度2mm。各材料參數如表1所示。

圖2 尾門模型

表1 尾門部件材料參數

2.2 尾門性能分析

尾門結構有限元分析是目前尾門結構設計必要的手段，也是預測和分析尾門性能的重要方法[8]。尾門的結構分析主要是模擬分析尾門在使用狀態(tài)的下受力情況如尾門的下垂、開啟、關閉及人為的按壓的等問題，需要對尾門的橫向、下垂、彎曲和扭轉及安裝點等剛度進行分析。另外考慮到尾門與整車的共振問題，還需要對尾門模態(tài)進行分析[9]。各分析結果如表2所示。

從表2的分析結果中可以看出尾門橫向剛度、下垂剛度、彎曲剛度及鎖扣安裝點剛度均達到了目標要求；一階扭轉、一階彎曲、鉸鏈安裝點剛度雖未達到要求但與目標值相差不大，扭轉剛度與目標值相差較大。其原因主要是由于PP+LFG的彈性模量僅為鈑金的1/25，在增加料厚的同時需要增大腔體[4]。

3 扭轉剛度優(yōu)化分析

3.1 尾門結構優(yōu)化

針對扭轉剛度與目標值偏差較大的問題，需要對尾門結構進行優(yōu)化。圖3為尾門扭轉工況約束及加載情況，圖4為扭轉工況變形云圖。

圖3 扭轉工況約束及加載

表2 尾門各工況分析結果

圖4 扭轉變形云圖

根據變形云圖可知，扭轉變形主要是在鉸鏈與加載點之間的區(qū)域。針對扭轉變形結果給出幾種改進方案如圖5所示。

由于外板為造型面，一般情況下不建議更改，所以改進方向主要從內板和加強件上下手。由于該尾門屬于以塑代鋼方案，其鋼板尾門車型已經量產，受原始結構空間限制無法通過增大空腔來提高扭轉剛度。

方案1為內板加筋方案，筋壁厚3mm；方案2為內板局部增厚方案，局部區(qū)域增厚至4mm；方案3為腔內增加鑄鋁加強件方案，厚度4mm；方案4為內腔體玻璃周圍增加2mm環(huán)形加強件，材料與內板一致；方案5為內外板之間增加2mm厚的中間夾層板，材料與內板一致。

3.2 性能分析

原始方案及5種改進方案分析對比結果如表3所示。

表3 各改進方案結果對比

從表3中得出方案1質量增加的最少，但剛度提升的也最小，方案3剛度增加的最多，但質量增加的也最多。這5種結構優(yōu)化方案除方案3外，其余結果與目標值160Nm/deg還有一定的差距，需要進一步的優(yōu)化。

3.3 深入仿真優(yōu)化

表3的結果表明，加筋方案和增加環(huán)形加強件方案對改善扭轉剛度效果不明顯，而內板局部增厚方案和增加中間夾層板方案由于受空間和工藝的限制厚度已經無法增加。

方案3的主要缺點在于質量增加的較多，而且其中有一部分結構與鉸鏈加強板重合，造成材料的浪費，進一步優(yōu)化中對尾門原有加強板結構也進行了優(yōu)化。

圖6為幾種不同結構的深入改進方案，圖中黃色的部分為原有尾門加強板。

圖6 幾種深入改進方案

方案6為在鉸鏈加強板與氣撐桿加強板之間增加L型加強件；方案7為方案6基礎上合并鉸鏈加強板與L行加強件；方案8為方案7基礎上合并氣撐桿加強板。深入改進方案中L型加強件均為鑄鋁材料，其中方案6的加強件整體厚度為4mm，方案7和方案8加強件厚度為6mm。

各深入方案的分析結果如表4所示，方案6質量增加最多為2.8kg，剛度提升42.9%；方案7與方案8剛度提升分別為46.1%和46.3%，質量增加分別為1.1kg和1.4kg。3個方案扭轉剛度均以達到目標要求。

從表可以看出方案6的增加的質量要遠遠大于方案7和方案8，其原因為原有的鉸鏈加強板為鋼材質量較大，而方案7和8是采用L型加強件結構集成了原來的鉸鏈加強板的功能，材料上采用了更輕的鑄鋁。另外，方案7與方案8其兩者的剛度提升效率相差不大，這說明氣撐桿加強板周圍結構的對尾門扭轉剛度影響較小，而鉸鏈加強板周圍結構對扭轉剛度影響較大。

表4 各深入改進方案結果對比

4 尾門樣件扭轉剛度驗證

根據仿真分析結果對方案7進行樣件制作，改進后的塑料尾門質量約為14.1kg，原鋼板尾門質量為20.5kg，減重比達到31.2%。

使用尾門專用試驗工裝上對樣件安裝點剛度、橫向剛度、扭轉剛度、彎曲剛度等進行試驗。試驗示意圖如圖7所示。

圖7 尾門剛度測試示意圖

尾門扭轉剛度仿真與試驗結果對比如表5所示，試驗值與計算值誤差為8.2%，在可接受范圍內（一般要求試驗值與分析值誤差在10%內）。

表5 扭轉剛度分析與仿真結果對比

5 結語

隨著汽車輕量化的推進，塑料尾門的設計與優(yōu)化在其中的作用也越來越明顯。在用塑料代替鋼板結構的時候由于兩種材料與工藝的差異導致塑料尾門在一些工況上相對于傳統(tǒng)尾門會有所減弱。本文以扭轉工況為例，利用有限元技術找出塑料尾門的薄弱區(qū)域，對比不同的改進方案，找出其中效率與成本最優(yōu)的方案，然后對比試驗結果與理論分析，驗證其可行性?；谟邢拊奈查T扭轉剛度研究方法可以有效的指導設計人員進行設計研發(fā)。