王清仙，高明

(浙江吉利控股集團(tuán)有限公司，浙江杭州 311228)

FEA分析在SMC材料汽車外飾開發(fā)中的應(yīng)用

王清仙，高明

(浙江吉利控股集團(tuán)有限公司，浙江杭州 311228)

SMC是一種熱固性復(fù)合材料，目前越來越多地應(yīng)用于汽車外飾輕量化設(shè)計(jì)中。通過重卡外飾件開發(fā)中的應(yīng)用案例來闡述運(yùn)用FEA有限元分析手段對(duì)SMC力學(xué)性能進(jìn)行確認(rèn)并合理優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的方法。

汽車；外飾；復(fù)合材料；有限元分析

0 引言

從20世紀(jì)70年代開始，原油危機(jī)迫使制造商必須找到有效降低車身質(zhì)量的方式，SMC(Sheet Molding Compound)目前已成為汽車輕量化設(shè)計(jì)的理想材料。

SMC材料是聚酯或乙烯酯樹脂與短切玻璃纖維和礦物填料模壓成型而成。與常規(guī)的金屬或熱塑性非金屬材料相比，由于SMC材料制品具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、成本低、可大規(guī)模生產(chǎn)、有A級(jí)表面質(zhì)量特性等優(yōu)點(diǎn)[1]，在過去15年之中，已日漸廣泛用于高檔乘用車、商用車領(lǐng)域。尤其是在商用車的中重型卡車外飾件，以SMC為主導(dǎo)的復(fù)合材料應(yīng)用尤為活躍，涉及駕駛室頂蓋、前圍面罩、導(dǎo)風(fēng)罩角板、保險(xiǎn)杠、翼子板、側(cè)圍護(hù)板、腳踏板、輪罩及其裝飾板、門下裝飾板、前圍裝飾罩、導(dǎo)流板、導(dǎo)流罩、側(cè)裙板等眾多部件。

目前在SMC應(yīng)用到的產(chǎn)品領(lǐng)域，多數(shù)零件之前采用的是金屬材料，在由金屬材料向非金屬材料轉(zhuǎn)換的過程中，新材料在性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)形態(tài)等方面的確定尤為重要，文中將采用FEA有限元分析(Finite Element Analysis)的手段對(duì)此類產(chǎn)品進(jìn)行分析。

1 SMC材料的物理特性簡(jiǎn)介

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，又稱玻璃鋼，其基本性能主要取決于基體和增強(qiáng)材料2大組分以及它們之間的結(jié)合形式，即玻璃纖維、熱固性樹脂或熱塑性樹脂、纖維和樹脂間的界面，而對(duì)于增強(qiáng)材料玻璃纖維來說，其排列方式的不同是直接影響材料物理性能的關(guān)鍵因素。圖1為組成增強(qiáng)型復(fù)合材料的3種典型纖維物質(zhì)的排列組成形式以及對(duì)應(yīng)的成型工藝。

圖1 典型纖維物質(zhì)的排列形式

第1種形式為單向纖維增強(qiáng)的玻璃鋼。這一類玻璃鋼，玻璃纖維定向排列在一個(gè)方向，它是用連續(xù)紗或單絲片鋪層的。在纖維方向上，有很高的彈性模量和強(qiáng)度，但在垂直纖維方向上，其強(qiáng)度很低。只有嚴(yán)格的單向受力情況下，才使用這類玻璃鋼。適用工藝：纏繞、手糊。

第2種形式為雙向纖維增強(qiáng)的玻璃鋼。這類玻璃鋼是用雙向織物鋪展的，在2個(gè)正交的纖維方向上，有較高的強(qiáng)度。它適用于矩形的平板或薄殼結(jié)構(gòu)物。適用工藝：手糊、層壓、RTM。

第3種形式便是文中所討論的片狀模塑料(簡(jiǎn)稱SMC)，為準(zhǔn)各向同性的一種玻璃鋼。這類玻璃鋼是用短切纖維氈或模塑料制成的，對(duì)于SMC來說，在片材制作時(shí)，是將短切玻纖均勻拋灑在樹脂糊中而成，所以從宏觀上可以將SMC看作是一種相對(duì)意義上的各向同性的復(fù)合材料，且具備線性物理性能，其纖維體積含量一般小于40%，適用于強(qiáng)度、剛度要求不高或荷載不很清楚而只能要求各向同性的產(chǎn)品。適用工藝：SMC、注射、噴射。

2 SMC材料性能參數(shù)的測(cè)定

強(qiáng)度是衡量一種材料的重要性能，它通常是指單位面積所能承受的最大荷載，超過這個(gè)荷載，材料就破壞。

強(qiáng)度分為拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)度等。針對(duì)SMC工藝的汽車外飾件來說，受力承載方式多為彎曲和拉伸，所以在做有限元分析時(shí)，通常只須測(cè)得這2種受力形式下的性能參數(shù)即可。

圖2是某種典型SMC片材在常溫下做拉伸和彎曲應(yīng)力測(cè)試時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變曲線變化圖，從曲線的走勢(shì)可以看出：材料沒有塑性變形過程，屈服強(qiáng)度即是極限強(qiáng)度；同時(shí)可以看出材料的拉伸曲線和彎曲曲線在走勢(shì)上的區(qū)別，這也反映出SMC材料的多樣性和復(fù)雜性。

3 FEA分析在SMC重卡外飾件開發(fā)過程中的應(yīng)用

通過有限元分析，在重卡外飾件開發(fā)設(shè)計(jì)中可以實(shí)現(xiàn)零部件輕量化，驗(yàn)證并提高零部件強(qiáng)度、剛度等性能，避免零部件共振，改進(jìn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.1 通過有限元分析實(shí)現(xiàn)零部件輕量化

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了保證產(chǎn)品有足夠的強(qiáng)度和剛度，并能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，通常會(huì)根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，但如果安全系數(shù)設(shè)定得過大，產(chǎn)品強(qiáng)度過剩，對(duì)產(chǎn)品的成本無疑造成一定的負(fù)擔(dān)；同時(shí)，使得整車質(zhì)量上升，無法體現(xiàn)復(fù)合材料取代金屬材料的質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)，在節(jié)能、減排方面也產(chǎn)生負(fù)面影響。如果采用有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析方法，便可以做到在保證產(chǎn)品性能達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量最輕化的目標(biāo)。

具體實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過程如下：先根據(jù)產(chǎn)品的型面、邊界、固定點(diǎn)以及具體的受力承載方式構(gòu)建設(shè)計(jì)初步的加強(qiáng)結(jié)構(gòu)；然后，用CAE軟件對(duì)初始3D模型進(jìn)行有關(guān)剛度、強(qiáng)度及模態(tài)方面的分析計(jì)算；接下來根據(jù)計(jì)算的結(jié)果對(duì)原始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，采用削強(qiáng)補(bǔ)弱的基本方法修改數(shù)據(jù)；然后對(duì)優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型重新進(jìn)行計(jì)算分析，比較拓?fù)鋬?yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，分析拓?fù)鋬?yōu)化方案的合理性。經(jīng)過反復(fù)幾輪優(yōu)化和比較后，得到最終的理想狀態(tài)。

以某款重卡車型的保險(xiǎn)杠為例，優(yōu)化前產(chǎn)品為5 mm均勻厚度，但根據(jù)固定點(diǎn)位置，結(jié)合產(chǎn)品的踩踏要求，對(duì)結(jié)構(gòu)可以做優(yōu)化調(diào)整?？紤]到SMC工藝制品的特殊性，對(duì)產(chǎn)品厚度做了以下調(diào)整，如圖3所示：將位置1所指非受力不可見區(qū)域厚度由5 mm改為3 mm，將位置2踩踏區(qū)域厚度由5 mm改為6 mm，將位置3大燈沉臺(tái)區(qū)域厚度由5 mm改為3 mm，將其他區(qū)域厚度由5 mm改為4 mm。

經(jīng)過厚度優(yōu)化，產(chǎn)品的質(zhì)量減少5.96 kg，同時(shí)，在4種踩踏要求(如圖4所示)，各處位置的應(yīng)力值均控制在允許的目標(biāo)值范圍(<50 MPa)，并且多數(shù)位置的應(yīng)力值都比較均衡，具體數(shù)值見表1。

表1 保險(xiǎn)杠減重前后局部應(yīng)力對(duì)比表

3.2 提高產(chǎn)品的物理性能

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段已經(jīng)定義了產(chǎn)品的性能目標(biāo)參數(shù)，為了驗(yàn)證產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)、工藝是否能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值，就需要提前通過CAE手段進(jìn)行理論驗(yàn)證，以減少產(chǎn)品在開發(fā)階段后期不斷進(jìn)行修改所產(chǎn)生的成本風(fēng)險(xiǎn)。

以某款中型貨車的前圍面罩為例，開啟抗拉強(qiáng)度是面罩的性能指標(biāo)中比較重要的一項(xiàng)，如圖5所示，具體要求為：在面罩完全固定的情況下，在中心下邊界水平施加98 N的拉力，要求面罩該處的變形量不大于6 mm。

為了分析原始數(shù)據(jù)的性能指標(biāo)，應(yīng)用CAE的方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，先根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際裝配情況對(duì)產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行約束定位，如圖6所示，然后進(jìn)行材料性能參數(shù)的定義、劃分網(wǎng)格等一些前期準(zhǔn)備工作，隨后通過計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算得到產(chǎn)品在受力狀態(tài)下的變形情況，如圖7所示。

根據(jù)分析結(jié)果，對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

優(yōu)化措施一：如圖8所示，在受力位置增加橫向貫通的加強(qiáng)筋。優(yōu)化后經(jīng)過分析，變形量減少至7.33 mm。

優(yōu)化措施二：如圖9所示，將斷開的凹凸造型用加強(qiáng)筋連接起來。優(yōu)化后經(jīng)過分析，變形量減少至7.15 mm。

優(yōu)化措施三：如圖10所示，增加產(chǎn)品受力區(qū)域的厚度。優(yōu)化后經(jīng)過分析，變形量減少至6.61 mm。

優(yōu)化措施四：如圖11所示，增加產(chǎn)品受力區(qū)域加強(qiáng)筋的高度。優(yōu)化后經(jīng)過分析，變形量減少至5.59 mm。

經(jīng)過優(yōu)化改善后，產(chǎn)品的變形值由8.52 mm減少至5.58 mm，提高了產(chǎn)品的性能，如表2所示。

表2 優(yōu)化后的成果總結(jié)

3.3 避免零部件共振

通過分析產(chǎn)品的固有頻率，避免在車輛自身及路面反饋等激勵(lì)源的作用下發(fā)生共振，從而加速產(chǎn)品的損壞。

圖12為某重卡車型的后輪擋泥板總成，在實(shí)車驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)擋泥板在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抖動(dòng)嚴(yán)重。用有限元分析后發(fā)現(xiàn)，擋泥板含支架總成的自身固有頻率與發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率非常接近，因此發(fā)生了共振而引起的抖動(dòng)。為了避開共振頻率，同時(shí)又不降低原有的產(chǎn)品強(qiáng)度，經(jīng)過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)通過將連接支架向外側(cè)移動(dòng)成功地避開了怠速頻率，解決了抖動(dòng)問題。

3.4 改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

除以上2種情況外，還可以通過有限元分析計(jì)算得出產(chǎn)品在受力狀態(tài)下，不同結(jié)構(gòu)位置處的拉伸和彎曲內(nèi)應(yīng)力，從而評(píng)估該位置存在開裂、破損等潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，據(jù)此調(diào)整、優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，消除產(chǎn)品在使用過程中潛在的質(zhì)量問題。同時(shí)，在不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，逐漸汲取教訓(xùn)、總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，從而形成一套完整的SMC工藝制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，以便為今后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性的作用。

如圖13所示，某保險(xiǎn)杠的踩踏區(qū)域在受力狀態(tài)下，圓角區(qū)域應(yīng)力過大，有開裂的風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)有限元分析后，增加該區(qū)域的產(chǎn)品厚度并加大應(yīng)力集中處的圓角半徑，從而改善了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，避免了踩踏開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

將FEA有限元計(jì)算分析與SMC材料重卡外飾件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以保證在達(dá)到產(chǎn)品理想強(qiáng)度的前提下，最大程度地實(shí)現(xiàn)汽車輕量化要求，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，提升制造工藝，減少產(chǎn)品在批量化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生物理性能問題的風(fēng)險(xiǎn)。

【1】李忠恒,李軍,宦勝民，等.汽車用高性能SMC復(fù)合材料[J].纖維復(fù)合材料,2009(2):27-30.

Application of FEA Analysis in Development of SMC Materials Used in Automobile Exterior

WANG Qingxian，GAO Ming
(Zhejiang Geely Holding Group Co.,Ltd., Hangzhou Zhejiang 311228,China)

SMC is a kind of thermosetting composite material, more and more applied in lightweight automotive exterior design.Taking some application cases in the development of a heavy truck exterior as examples,how to confirm the mechanical properties of SMC and how to optimize the product structure using finite element analysis method were presented.

Automobile; Exterior;Composite material;Finite element analysis

2016-04-09

王清仙(1984—)，女，碩士，工程師，現(xiàn)主要從事商用車車身開發(fā)工作。E-mail:qxwang1225@126.com。

U465.6

A

1674-1986(2016)06-090-04