柳成冬 安曉蒙 宋英豪 文

蜂窩夾芯板作為一種高強(qiáng)度、輕量化的優(yōu)異結(jié)構(gòu)板材，是仿生學(xué)應(yīng)用的成果之一。在20世紀(jì)50年代研發(fā)初期，蜂窩芯材多用金屬材質(zhì)，其中以鋁制蜂窩芯材為主；但由于鋁制蜂窩制造加工比較困難、成本相對(duì)較高，在航空航天領(lǐng)域應(yīng)用較多?，F(xiàn)階段，隨著制造技術(shù)和高分子材料性能的不斷進(jìn)步，化工樹脂材料逐漸應(yīng)用到蜂窩板材芯材的制造中；新近發(fā)展起來的熱塑性蜂窩板材，具有更加優(yōu)異的性能[1]。

熱塑性蜂窩板，其面層使用的是玻璃鋼纖維板，內(nèi)部芯材使用的是PP(聚丙烯)材料。熱合后，連接非常緊密，不僅自質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高，且耐候性強(qiáng)，防水防潮，芯材可以循環(huán)再利用，更加環(huán)保[2]。PP蜂窩板是廂式物流車貨廂輕量化的重要低密度材料之一[3]。

下面主要介紹PP蜂窩板在某款客廂式物流車輕量化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用，其應(yīng)用方式不同于傳統(tǒng)輕型廂式物流車貨廂減重的設(shè)計(jì)方法[4]。在本車型輕量化設(shè)計(jì)中，將PP蜂窩板融入整車(客車)的全承載式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，參與一定承載，取得了不小的輕量化效果，同時(shí)仍保留了廂式物流車獨(dú)特的造型及結(jié)構(gòu)。這是一次鋼管骨架結(jié)構(gòu)式車身引入復(fù)合材料進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的新嘗試，下面對(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路進(jìn)行介紹和分享。

1 輕量化設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)及驗(yàn)證

1.1 輕量化設(shè)計(jì)

本車型是一款5.9 m純電動(dòng)物流車，采用客車全承載式骨架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，駕駛室與貨廂一體，貨物空間16 m3，承載質(zhì)量1.5 t，具有不同于傳統(tǒng)輕型廂式物流車的造型(見圖1)。

圖1 本車型實(shí)車照片

客車傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主要以承載骨架焊接，外部漲拉1.0 mm鋼制蒙皮結(jié)構(gòu)[5]，作為外覆蓋件，蒙皮表面需要進(jìn)行原子灰、噴漆等處理。貨廂內(nèi)部，同樣需要具有一定剛度的內(nèi)覆蓋件。而PP蜂窩板材雙面的表層玻璃纖維板具有良好的耐沖擊性，而且其表面還可以進(jìn)行覆膜和免漆處理。在輕量化設(shè)計(jì)中，將側(cè)圍骨架貨廂部分結(jié)構(gòu)，更改為20 mm厚的PP蜂窩板材，可解決內(nèi)外覆蓋件表面強(qiáng)度問題，且使蜂窩結(jié)構(gòu)參與到承載中，從而保證整車的強(qiáng)度及剛度(如圖2)。在圖2中，深色部分為PP蜂窩板材，蜂窩板使用區(qū)域在側(cè)圍貨倉區(qū)域。

圖2 側(cè)圍骨架前后結(jié)構(gòu)對(duì)比圖

骨架式結(jié)構(gòu)的主要工藝是焊接，處理蜂窩板材與鋼制骨架連接是難點(diǎn)之一。一般的廂式貨車，貨廂各板材固定使用的是特定形式的鋁型材，打孔、螺栓連接安裝或鉚釘膠接結(jié)合安裝[4]?？紤]到使用螺釘連接會(huì)影響車輛外部美觀度，而采用聚氨酯膠接安裝與鋼材連接；在涂裝漆面烘干過程中，因存在膠接失效的風(fēng)險(xiǎn)，且粘接膠性能對(duì)工廠溫度、濕度都有一定要求，增加工藝成本[6]。所以，本車采用了一種新式的PP蜂窩板邊緣處理方法[7]；使用鋼制U型件處理蜂窩板邊緣(如圖3)，使板材邊緣可以進(jìn)行焊接處理，改善制造工藝。

圖3 PP板邊緣連接結(jié)構(gòu)示意圖

U型固定件與蜂窩板材采用的是小間隙配合，使用專用合攏工裝，將U型件與蜂窩板壓合。U型固定件橫向間距200 mm，開多個(gè)φ13同心的對(duì)穿圓孔，用于安裝金屬銷。金屬銷與安裝孔采用過盈配合，以錘擊的方式敲入安裝孔中。金屬銷一端進(jìn)行倒角處理，具有一定的導(dǎo)向功能。4個(gè)邊緣都處理完成的PP板材(如圖4)，在整車合攏工序中，板材邊緣與6大片骨架焊接合攏，焊接成一個(gè)完整的白車身。

1.2 CAE校核分析

圖4 PP板材處理示意圖

為保證車身骨架采用蜂窩板及高強(qiáng)鋼后的整車骨架強(qiáng)度，對(duì)減重前后骨架進(jìn)行制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、彎曲及極限承載工況下的受力分析[8-9]；骨架在滿載載荷下，動(dòng)載系數(shù)取2.5[10]。各工況應(yīng)力及變形如圖5～8所示，應(yīng)力及變形值如表1所示。

圖5 制動(dòng)工況分析圖

圖6 轉(zhuǎn)向工況分析圖

圖7 彎曲工況分析圖

圖8 極限工況分析圖

表1 整車骨架減重前后各工況應(yīng)力及應(yīng)變

骨架矩管采用高強(qiáng)鋼700L，其屈服強(qiáng)度為700 MPa。通過表1數(shù)據(jù)對(duì)比分析可知，采用PP蜂窩板的整車骨架受力情況明顯優(yōu)于前結(jié)構(gòu)。

1.3 路試

在對(duì)本車進(jìn)行CAE分析的同時(shí)，打造了一輛樣車，用于路試驗(yàn)證。滿載路試約10 000 km，結(jié)果顯示整車性能良好，PP蜂窩廂板及周邊結(jié)構(gòu)未出現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量不良的問題。

2 總結(jié)

PP蜂窩板作為一種輕質(zhì)、高強(qiáng)度的復(fù)合材料，是車輛輕量化設(shè)計(jì)中重要選材之一。本文所述的基于PP蜂窩復(fù)合材料的鋼管骨架結(jié)構(gòu)式車身輕量化設(shè)計(jì)方案，其設(shè)計(jì)降重達(dá)80 kg，輕量化效果明顯。這對(duì)其他輕量化設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值。