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        基于性能要求的汽車尾門輕量化設計研究

        2020-03-07 05:33:11王俊峰陳美玉王峻峰
        汽車實用技術 2020年3期
        關鍵詞:尾門外板輕量化

        王俊峰 陳美玉 王峻峰

        摘 要:文章以某車型的尾門為研究對象,基于等性能原則,將傳統(tǒng)鋼材質(zhì)的尾門內(nèi)外板替換為塑料材質(zhì),并對其結構進行設計更改,利用Hypermesh軟件對塑料尾門的性能進行有限元仿真分析,在實現(xiàn)剛度等性能目標的同時實現(xiàn)尾門的輕量化設計,最終尾門實現(xiàn)減重37%。

        關鍵詞:尾門;塑料;剛度;輕量化

        中圖分類號:U465? 文獻標識碼:A? 文章編號:1671-7988(2020)03-75-04

        前言

        隨著全球汽車保有量的不斷增多,全球能源危機和環(huán)境污染日益嚴重,因此對汽車節(jié)能減排的要求也不斷提高。據(jù)統(tǒng)計,汽車重量每減輕10%,油耗可降低6%-8%,尾氣排放可下降4%。汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要措施,也是當代汽車發(fā)展的必然趨勢。汽車輕量化設計主要有2 種方式:(1)設計更加合理的結構,從而避免過設計;(2)采用新材料替換原有傳統(tǒng)材料,通常采用鋁合金、鎂合金、復合材料等輕型材料或高強度鋼替代普通低碳鋼提高性能,減輕重量[1]。

        二種方式中輕量化效果最為明顯的為第二種,同時也是最具有挑戰(zhàn)的一種,必須在改變零部件材料的同時滿足剛度性能指標。因此本文以某車型尾門為研究對象,將鋼材質(zhì)的尾門內(nèi)外板替換為塑料材質(zhì),在保證剛度滿足性能目標的前提下,實現(xiàn)尾門的減重。

        1 塑料尾門的設計開發(fā)

        1.1 傳統(tǒng)鋼材質(zhì)尾門總成結構

        尾門總成由尾門外板與內(nèi)板焊接總成構成(圖1),外板與內(nèi)板焊接總成通過包邊工藝實現(xiàn)連接,尾門內(nèi)板總成由內(nèi)板與加強件通過點焊構成。尾門外板材質(zhì)為B170P1,板厚為0.7mm;尾門內(nèi)板材質(zhì)為DC06,板厚為0.6mm。

        1.2 塑料尾門設計

        對于尾門設計來說,不論是傳統(tǒng)鋼材料尾門還是塑料材質(zhì)尾門,其性能要求都是一樣的,例如剛度、模態(tài)和耐久等性能。對于塑料尾門,如何滿足剛度性能,往往是塑料尾門設計的難點。

        1.2.1 塑料尾門內(nèi)、外板材質(zhì)確定

        目前市場上配置塑料尾門的車型,尾門外板材料均為PP熱塑性材料,尾門內(nèi)板根據(jù)選用的成型工藝不同,往往選擇熱塑性材料的PP+LGF或熱固性材料SMC[2]。本尾門輕量化方案中,尾門外板采用PP+EPDM+TD20材料,尾門內(nèi)板采用PP-LGF40-0455材料,尾門加強件的材料與原鋼結構加強件材質(zhì)相同。尾門內(nèi)、外板及加強件的材料技術參數(shù)見表1。

        1.2.2 塑料尾門內(nèi)、外板厚度確定

        在以往的設計中,將傳統(tǒng)鋼板沖壓零件替換為低密度合金板材沖壓件時,替換后的板材厚度可以通過等剛度替換理論的下式(1)計算得出。

        若基于等剛度替換理論確定塑料尾門內(nèi)、外板的厚度,這樣計算得出的內(nèi)外板厚度會很厚,無法滿足注塑工藝要求。因此,等剛度替換理論不適合塑料尾門設計,塑料尾門內(nèi)外板厚度確定應以注塑工藝要求為基準確定。選擇料厚時需考慮注塑模具壓力,外板表面抗凹性及澆口布置等因素,通常塑料尾門內(nèi)外板要滿足注塑工藝要求,主體厚度需設計在3mm以下。結合競品車測量數(shù)據(jù),最終選定塑料尾門外板主體厚度為3mm,尾門內(nèi)板主體厚度為2.5mm。

        1.2.3 塑料尾門結構設計

        在塑料尾門設計時,如不考慮車型配置分色要求,尾門可以設計為集成擾流板、左右側飾板、牌照燈飾板及部分內(nèi)飾。由于原車型后擾流板及左右側飾板與尾門本體分色不同,綜合考慮成型工藝因素,僅將牌照燈飾板與尾門外板集成一體(圖2)。尾門內(nèi)板與尾門加強件采用螺釘緊固連接(圖3),尾門外板與尾門內(nèi)板采用聚氨酯膠粘合連接,聚氨酯膠技術參數(shù)為:彈性模量 5MPa、泊松比 0.393(23度)、密度1.26g/ml。

        2 尾門剛度性能分析

        2.1 塑料尾門有限元模型的建立

        將塑料尾門幾何模型導入Hypermesh前處理軟件中,經(jīng)過抽取中面,幾何清理及網(wǎng)格劃分等操作,其中網(wǎng)格劃分盡量采用四邊形單元,且三角形單元數(shù)不超過單元總數(shù)的5%。尾門模型主要包括內(nèi)板、外板及加強板等。建立局部坐標系:取尾門鎖點與鉸鏈軸建立局部坐標系。在該局部坐標系中,x方向為鉸鏈軸方向,y方向為鉸鏈軸與鎖點確定平面的法線方向。

        2.2 性能分析標準

        2.2.1 尾門彎曲剛度分析

        約束條件見圖4,載荷工況:在尾門鎖點處施加y向300N的載荷。

        2.2.2 尾門雙側扭轉剛度分析

        約束條件見圖5,載荷工況:在尾門兩側緩沖塊位置沿y方向施加240Nm扭矩。

        2.2.3 尾門單側扭轉剛度分析

        約束條件見圖6,載荷工況:在尾門左側緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

        2.2.4 尾門中部剛度分析

        約束條件見圖7,載荷工況:在尾門中部緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

        2.2.5 尾門角剛度分析

        約束條件見圖8,載荷工況:在尾門下部緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

        2.3 性能分析對比

        依據(jù)2.2節(jié)分析標準對塑料尾門的彎曲剛度、雙側扭轉剛度、單側扭轉剛度、中部剛度、角剛度進行分析,各工況下的位移云圖如圖9~13所示,剛度分析結果見表2。通過分析比對可知,塑料尾門剛度性能均滿足設計目標要求。

        3 輕量化效果分析

        為得到塑料尾門減重效果,將塑料尾門與原鋼材質(zhì)尾門模型進行比較(見表3),通過數(shù)據(jù)對比可知塑料尾門相比鋼材質(zhì)尾門約減重37%。

        4 總結

        文章以滿足剛度性能要求為目標來進行尾門輕量化設

        計,將傳統(tǒng)的鋼材質(zhì)尾門用塑料材質(zhì)來替換,并對尾門結構進行設計更改,通過對各工況下尾門的剛度進行有限元仿真分析,在尾門剛度性能達到目標的同時,實現(xiàn)尾門的輕量化設計。

        參考文獻

        [1] 付燕鵬,葉瑜合,譚敦松.鋁合金發(fā)動機罩蓋的優(yōu)化設計[J]汽車實用技術,2018(12).

        [2] 王韜,扈福民,劉其文.塑料材料在尾門里板上的應用[J].裝備維修技術,2018(03).

        [3] 李飛,黃小征,王帥.碳纖維發(fā)動機蓋的性能分析及試驗驗證[J].汽車實用技術,2019(10).

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