黃小征 李飛 王帥 郭永奇

（華晨汽車工程研究院）

隨著復(fù)合材料技術(shù)的發(fā)展、原材料價(jià)格的降低、制造工藝的優(yōu)化及成型周期的縮短，復(fù)合材料在汽車零部件上的應(yīng)用越來越廣泛。特別是對于碳纖維復(fù)合材料（CFRP）來說，隨著碳纖維價(jià)格逐漸下降和復(fù)合材料制造工藝的成熟，各大主機(jī)廠紛紛進(jìn)行碳纖維零部件的開發(fā)。預(yù)計(jì)到2030年，CFRP將成為汽車零部件輕量化的主流材料[1]。文章通過CAE軟件[2]仿真分析了某SUV電動車碳纖維發(fā)動機(jī)蓋的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)邊中部剛度、中后部剛度及1階約束模態(tài)等各項(xiàng)性能指標(biāo)[3-4]，結(jié)果表明CFRP的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足目標(biāo)值且優(yōu)于鋼材，這不僅驗(yàn)證了碳纖維材料替換的可行性，也為后續(xù)輕量化材料的推廣和應(yīng)用提供了參考方向。

1 發(fā)動機(jī)蓋的總體設(shè)計(jì)方案

1.1 傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)

發(fā)動機(jī)蓋具有隔熱隔聲、自身質(zhì)量輕及剛性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)蓋采用低碳鋼的鈑金材料，發(fā)動機(jī)蓋主要由內(nèi)外板、內(nèi)部加強(qiáng)板、鉸鏈及鎖扣等組成，其中內(nèi)板厚0.6 mm，外板厚0.7 mm。發(fā)動機(jī)蓋內(nèi)外板與加強(qiáng)板間主要通過點(diǎn)焊、涂膠及包邊的連接方式組合成發(fā)動機(jī)蓋總成，發(fā)動機(jī)蓋總成與車身通過鉸鏈連接，圖1示出傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)示意圖。

1.2 碳纖維材料特性

碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的材料，它不僅具有碳材料的固有特性，又兼?zhèn)浼徔椑w維的柔軟可加工性，是新一代增強(qiáng)纖維。CFRP具有其他材料不可比擬的比強(qiáng)度和比模量，其體積質(zhì)量為1.45～1.6 g/cm3，這只是普通碳鋼的1/4～1/5，比常用的鋁合金還要輕1/3左右，而CFRP的機(jī)械性能優(yōu)于金屬材料，其抗拉強(qiáng)度高于鋼材3～4倍，剛度高于鋼材2～3倍，極大地提高了零部件的抗凹性能。在同等條件下，也可以通過增加碳纖維零部件的截面厚度和高度，以使其滿足原鋼材結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度要求。

1.3 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)

碳纖維發(fā)動機(jī)蓋的內(nèi)外板采用CFRP，根據(jù)等剛度近似理論[5]，內(nèi)板設(shè)計(jì)厚度為2 mm，外板設(shè)計(jì)厚度為1.6 mm?？紤]到復(fù)材成型的工藝問題，各零件結(jié)構(gòu)和連接方式應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的簡化和調(diào)整。在結(jié)構(gòu)方面，內(nèi)板取消涂膠槽、加強(qiáng)筋及工藝孔，并優(yōu)化切邊，如圖2所示（圖中所示的涂膠槽、加強(qiáng)筋、加強(qiáng)特征、工藝孔及切邊，表示的是優(yōu)化前傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)蓋的位置特征）。內(nèi)部加強(qiáng)板根據(jù)內(nèi)外板狀態(tài)重新進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；在連接方面，內(nèi)外板周邊由包邊結(jié)構(gòu)改成膠粘結(jié)構(gòu)；鉸鏈加強(qiáng)板與內(nèi)板的連接由焊接結(jié)構(gòu)改成膠鉚結(jié)構(gòu)。

1.4 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋輕量化效果

碳纖維發(fā)動機(jī)蓋由于在材料、結(jié)構(gòu)及工藝上進(jìn)行了簡化處理，質(zhì)量能夠減輕8.221 kg，減重比例達(dá)47%，如表1所示。

表1 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋減重效果對比表

2 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)性能分析

應(yīng)用CATIA軟件建立碳纖維發(fā)動機(jī)蓋的簡化三維CAD模型，將其導(dǎo)入到HyperMesh前處理軟件中進(jìn)行網(wǎng)格劃分，然后分別對發(fā)動機(jī)蓋進(jìn)行1階約束模態(tài)、后角點(diǎn)剛度、中后部剛度及側(cè)邊中部剛度的CAE分析。

2.1 1階約束模態(tài)分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點(diǎn)的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉(zhuǎn)動自由度；約束鎖扣處2，3平動自由度；約束緩沖塊位置所有自由度，如圖3所示。提取前6階模態(tài)，輸出頻率范圍為0～100 Hz。

圖3 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋1階模態(tài)約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發(fā)動機(jī)蓋總成的1階模態(tài)為48.63 Hz，如圖4所示。

圖4 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋1階模態(tài)分析位移云圖

2.2 后角點(diǎn)剛度分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點(diǎn)的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉(zhuǎn)動自由度；約束緩沖塊及鎖扣位置z向自由度。

載荷條件：在外板后角點(diǎn)節(jié)點(diǎn)（75113）處施加z向100 N載荷，方向垂直于紙面向外，如圖5所示。

圖5 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋后角點(diǎn)剛度分析約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發(fā)動機(jī)蓋總成的后角點(diǎn)剛度z向位移為0.721 7 mm，如圖6所示。

圖6 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋后角點(diǎn)剛度分析位移云圖

2.3 中后部剛度分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點(diǎn)的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉(zhuǎn)動自由度；約束鎖扣處2，3平動自由度；約束緩沖塊z向平動自由度。

載荷條件：后端中點(diǎn)處內(nèi)外板各取4個(gè)單元用多點(diǎn)約束（MPC）來連接，節(jié)點(diǎn)號為19，并施加z向100 N載荷，方向垂直于紙面向外，如圖7所示。

圖7 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋中后部剛度分析約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發(fā)動機(jī)蓋總成的中后部剛度z向位移為0.977 6 mm，如圖8所示。

圖8 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋中后部剛度分析位移云圖

2.4 側(cè)邊中部剛度分析

約束條件：約束鉸鏈與車身安裝點(diǎn)的所有自由度（1，2，3，4，5，6），釋放鉸鏈軸的轉(zhuǎn)動自由度；約束鎖扣處z向自由度。

載荷條件：在鎖扣與鉸鏈安裝點(diǎn)連線中點(diǎn)所對應(yīng)的發(fā)動機(jī)蓋右側(cè)，內(nèi)外板各取5個(gè)單元用MPC來連接，節(jié)點(diǎn)號為18，并施加負(fù)y向180 N載荷，方向平行于紙面向左，如圖9所示。

圖9 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋側(cè)邊中部剛度分析約束條件示意圖

由HyperView后處理軟件可得，發(fā)動機(jī)蓋總成的側(cè)邊中部剛度y向位移為0.370 1 mm，如圖10所示。

圖10 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋側(cè)邊中部剛度分析位移云圖

鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)蓋的分析方法與上述類似，性能分析對比結(jié)果，如表2所示。

表2 碳纖維及鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)蓋性能分析結(jié)果對比表

從表2可知，碳纖維發(fā)動機(jī)蓋的1階約束模態(tài)、后角點(diǎn)剛度、中后部剛度及側(cè)邊中部剛度均滿足目標(biāo)值，且均略高于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)蓋，說明碳纖維發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)過剩問題，可以進(jìn)行深入的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在滿足各項(xiàng)性能要求的前提下，使得結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更合理、減重效果更明顯。碳纖維發(fā)動機(jī)蓋樣件，如圖11所示。

圖11 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋樣件圖

3 碳纖維發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對碳纖維發(fā)動機(jī)蓋結(jié)構(gòu)存在設(shè)計(jì)過剩的問題，首先，可以通過減薄厚度對其進(jìn)行優(yōu)化。外板優(yōu)化設(shè)計(jì)厚度為1.3 mm，內(nèi)板優(yōu)化設(shè)計(jì)厚度為1.5 mm，優(yōu)化后性能分析結(jié)果，如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后碳纖維及鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)蓋性能分析對比表

從表3可知，尺寸優(yōu)化后，碳纖維發(fā)動機(jī)蓋的1階約束模態(tài)、后角點(diǎn)剛度、中后部剛度及側(cè)邊中部剛度均滿足目標(biāo)值，但后角點(diǎn)剛度、中后部剛度及側(cè)邊中部剛度均略低于鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)蓋，該尺寸優(yōu)化方案是否可行，需要后期用臺架或路試試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

4 結(jié)論

文章以某SUV電動車的發(fā)動機(jī)蓋為研究對象，選用了CFRP替代傳統(tǒng)鋼材料方案，通過CAE軟件分析其1階約束模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、中后部剛度及側(cè)邊中部剛度等各項(xiàng)性能指標(biāo)，結(jié)果表明CFRP的各項(xiàng)性能指標(biāo)均能滿足目標(biāo)值，且優(yōu)于鋼材，驗(yàn)證了采用碳纖維材料替換的可行性，實(shí)現(xiàn)了減重47%的目標(biāo)。同時(shí)，針對設(shè)計(jì)過剩問題，提出了尺寸優(yōu)化的參考方向。該優(yōu)化方案是否可行，需要后期使用臺架或路試試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。