聶根輝,謝新生,歐陽(yáng)春平

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州 545007)

PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能分析

聶根輝,謝新生,歐陽(yáng)春平

(上汽通用五菱汽車(chē)股份有限公司，廣西柳州 545007)

為某車(chē)型發(fā)動(dòng)機(jī)罩選用PP-LGF40材料替代傳統(tǒng)的鈑金材料，可實(shí)現(xiàn)減質(zhì)量21%的目標(biāo)。根據(jù)PP-LGF40材料的成型工藝，提出發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板和內(nèi)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了零件結(jié)構(gòu)和制造工藝。通過(guò)CAE仿真分析PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、承重剛度、鎖鉤剛度和一階模態(tài)等各項(xiàng)性能指標(biāo)，結(jié)果表明：PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的各項(xiàng)性能均能滿(mǎn)足目標(biāo)值，驗(yàn)證了PP-LGF40作為發(fā)動(dòng)機(jī)罩輕量化材料方案的可行性。

發(fā)動(dòng)機(jī)罩；PP-LGF40材料；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；性能分析；輕量化

0 引言

由于能源與環(huán)境的壓力，輕量化是汽車(chē)工業(yè)發(fā)展的主要方向，減輕汽車(chē)自身質(zhì)量是降低油耗、減少排放的有效措施之一。世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)報(bào)告指出：汽車(chē)質(zhì)量每減小10%，可降低6%～8%的油耗，減少13%的CO2排放[1-2]。汽車(chē)車(chē)身質(zhì)量占整車(chē)質(zhì)量的30%～40%，因此車(chē)身的輕量化是汽車(chē)輕量化的主體內(nèi)容[3]。實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化主要有兩個(gè)途徑：(1)設(shè)計(jì)更合理的車(chē)身結(jié)構(gòu)，對(duì)車(chē)身零部件的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減輕汽車(chē)質(zhì)量的目的；(2)大量使用輕量化材料。通過(guò)使用輕質(zhì)、高強(qiáng)度的材料實(shí)現(xiàn)車(chē)身大幅減質(zhì)量是最有效最直接的手段[4]。

目前常用的輕量化材料主要有高強(qiáng)鋼、輕質(zhì)合金、復(fù)合材料等。高強(qiáng)鋼與傳統(tǒng)的低碳鋼相比，厚度可減薄10%，車(chē)身質(zhì)量減少20%～30%[5-6]，但高強(qiáng)鋼多用于車(chē)身結(jié)構(gòu)件，不應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩等車(chē)門(mén)覆蓋件。輕質(zhì)合金中鋁合金材料的成型和制造工藝也較為成熟，可應(yīng)用于車(chē)門(mén)覆蓋件。相比于傳統(tǒng)低碳鋼板，采用鋁合金板可減少質(zhì)量30%～40%，但鋁合金較高的生產(chǎn)成本是制約其廣泛應(yīng)用的主要因素[7-8]。復(fù)合材料作為輕量化材料越來(lái)越多地應(yīng)用于車(chē)門(mén)覆蓋件，不僅可以減輕車(chē)身質(zhì)量，還能降低生產(chǎn)成本。

PP材料作為復(fù)合材料多應(yīng)用于汽車(chē)前后保險(xiǎn)杠、車(chē)門(mén)內(nèi)飾板等零件，在車(chē)門(mén)覆蓋件上應(yīng)用較少。綜合材料性能和生產(chǎn)成本的因素，為某車(chē)型選用了PP-LGF40作為輕量化材料應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩，并且針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的受力特點(diǎn)，研究了PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的結(jié)構(gòu)方案和機(jī)械性能。

1 PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩總體設(shè)計(jì)方案

1.1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)罩采用低碳鋼板材為材料，發(fā)動(dòng)機(jī)罩主要由發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板、鉸鏈加強(qiáng)板和鎖加強(qiáng)板組成。發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)、外板和加強(qiáng)板通過(guò)電阻點(diǎn)焊、涂膠、包邊的方式連接結(jié)合成發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成再通過(guò)鉸鏈與車(chē)身連接，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)

1.2 PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)

PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成由發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板和內(nèi)板組成，均采用料厚3.0 mm材料，內(nèi)、外板通過(guò)材料熔融和緊固件方式連接。PP-LGF40材料的發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)、外板之間不需要鉸鏈加強(qiáng)板、鎖加強(qiáng)板等結(jié)構(gòu)件，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成也不需要鉸鏈與車(chē)身連接，而是通過(guò)其自身結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)與車(chē)身的連接，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成形成一個(gè)獨(dú)立的可拆卸結(jié)構(gòu)，不需要發(fā)動(dòng)機(jī)罩撐桿支撐，如圖2和圖3所示。

圖2 PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板和內(nèi)板

圖3 PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)及連接方式

與傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩相比，PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩大大簡(jiǎn)化了零件結(jié)構(gòu)和制造工藝。

1.3 PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩輕量化效果

通過(guò)對(duì)比PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩與傳統(tǒng)的低碳鋼發(fā)動(dòng)機(jī)罩，PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩由于在材料及結(jié)構(gòu)上的簡(jiǎn)化，可減質(zhì)量1.08 kg，減質(zhì)量比例達(dá)21%，如表1所示。

表1 PP材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩與傳統(tǒng)的低碳鋼發(fā)動(dòng)機(jī)罩重量對(duì)比

2 PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的機(jī)械性能分析

采用UG軟件建立發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成零件三維CAD模型，然后通過(guò)數(shù)據(jù)交換將零件模型導(dǎo)入有限元分析軟件HyperMesh中，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、承重剛度、鎖鉤剛度、一階模態(tài)進(jìn)行CAE分析。

2.1 扭轉(zhuǎn)剛度分析

約束方式：?jiǎn)吸c(diǎn)約束(Single-point Constraint,SPC)車(chē)身側(cè)鉸鏈6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開(kāi)鉸鏈間的旋轉(zhuǎn)自由度；約束右側(cè)緩沖塊Z向平移自由度，SPC=3。

圖4 扭轉(zhuǎn)剛度約束條件和加載工況

加載條件：左側(cè)緩沖塊對(duì)應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板50 mm×50 mm區(qū)域加載-Z向分布力F=100 N，如圖4所示。

在常溫23 ℃條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的扭轉(zhuǎn)剛度為位移15.9 mm，如圖5所示。

圖5 扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

2.2 側(cè)向剛度分析

約束方式：?jiǎn)吸c(diǎn)約束車(chē)身側(cè)鉸鏈6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開(kāi)鉸鏈間的旋轉(zhuǎn)自由度；工況加載點(diǎn)約束Z向平移自由度，SPC=3。

加載條件：前部約束點(diǎn)加載Y向力F=180 N，如圖6所示。

圖6 側(cè)向剛度約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的側(cè)向剛度為位移5.2 mm，如圖7所示。

圖7 側(cè)向剛度分析結(jié)果

2.3 側(cè)向剛度分析

約束方式：約束鉸鏈6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開(kāi)鉸鏈間的旋轉(zhuǎn)自由度；密封面每隔100 mm約束6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6；約束兩個(gè)緩沖塊6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6。

加載條件：在發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板前部、后部及側(cè)部200 mm×400 mm的區(qū)域分別加載-Z向分布力535 N，如圖8所示。

圖8 側(cè)向剛度約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成在前部、后部、側(cè)部區(qū)域的承重剛度分別為位移1.5、6.9、3.8 mm，如圖9—11所示。

圖9 前部承重剛度分析結(jié)果

圖10 后部承重剛度分析結(jié)果

圖11 側(cè)部承重剛度分析結(jié)果

2.4 鎖鉤剛度分析

約束方式：約束車(chē)身側(cè)鉸鏈6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開(kāi)鉸鏈間的旋轉(zhuǎn)自由度；約束兩個(gè)緩沖塊Z向平移自由度，SPC=3。

加載條件：鎖扣加載-Z向力F=196.2 N，如圖12所示。

圖12 鎖鉤剛度約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的鎖鉤剛度為位移2.3 mm，如圖13所示。

圖13 鎖鉤剛度分析結(jié)果

2.5 一階模態(tài)分析

約束方式：約束鉸鏈6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開(kāi)鉸鏈間的旋轉(zhuǎn)自由度；約束鎖鉤Y向和Z向的平移自由度，SPC=2、3；密封面每隔100 mm約束6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6；約束兩個(gè)緩沖塊6個(gè)自由度，SPC=1、2、3、4、5、6。

加載條件：計(jì)算至100 Hz，如圖14所示。

圖14 一階模態(tài)約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的一階模態(tài)為63.1 Hz，如圖15所示。

圖15 一階模態(tài)分析結(jié)果

綜合以上分析結(jié)果，通過(guò)對(duì)比各分析項(xiàng)的目標(biāo)值，發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、承重剛度、鎖鉤剛度、一階模態(tài)均滿(mǎn)足目標(biāo)設(shè)定要求，如表2所示。分析結(jié)果也驗(yàn)證了PP-LGF40材料方案的可行性。

表2 PP材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成各機(jī)械性能CAE分析結(jié)果

3 總結(jié)

(1)相對(duì)其他常用的輕量化材料，提出選用PP-LGF40作為替代傳統(tǒng)低碳鋼板材發(fā)動(dòng)機(jī)罩的輕量化材料。

(2)提出PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，簡(jiǎn)化了零件結(jié)構(gòu)和制造工藝，相比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)罩，實(shí)現(xiàn)了減質(zhì)量21%的目標(biāo)。

(3)提出PP-LGF40材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩總成的CAE分析方法和機(jī)械性能分析目標(biāo)值，并且通過(guò)分析對(duì)比目標(biāo)值，驗(yàn)證了PP-LGF40作為發(fā)動(dòng)機(jī)罩輕量化材料方案的可行性，同時(shí)也為車(chē)身其他零部件的輕量化提供了參考數(shù)據(jù)和方案。

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Structure Design and Performance Analysis of PP-LGF40 Engine Hood

NIE Genhui, XIE Xinsheng, OUYANG Chunping

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007,China)

The traditional sheet metal was replaced by PP-LGF40 on the engine hood of an automobile, which could reduce the weight as a rate of 21%. Depending on the molding process of PP-LGF40, the structure design solutions of the hood outer and inner panel were put forward, then the part structure and manufacturing process were simplified. The torsion stiffness, lateral stiffness, load-bearing stiffness, latch stiffness and the first-order modal of PP-LGF40 engine hood were analyzed by using CAE simulation. The results show that performance of PP-LGF40 engine hood can meet the target values. It verifies the feasibility that PP-LGF40 is taken as a lightweight material of the engine hood.

Engine hood; PP-LGF40 material; Structure design; Performance analysis; Lightweight

2016-12-17

聶根輝(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車(chē)前后蓋設(shè)計(jì)與研究工作。E-mail：genhuinie@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.003

U463.83

B

1674-1986(2017)04-011-05