劉晶，解維杰，彭丹，張靜

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

0 引言

研究資料表明，汽車整備質(zhì)量每減少10%，油耗就可以節(jié)省6%～8%，汽車整備質(zhì)量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，與此同時(shí)，汽車整備質(zhì)量的減小還會減少大氣中二氧化碳的排放量，以及氮化物、硫化物等有害物質(zhì)的排放。因此，汽車輕量化已成為汽車工業(yè)發(fā)展的方向之一，是提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性、減少排放的重要技術(shù)途徑。汽車輕量化技術(shù)是在滿足汽車使用性能和成本控制的條件下，輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料運(yùn)用與輕量化加工制造的綜合應(yīng)用技術(shù)[1-2]。

隨著汽車制造技術(shù)向模塊化、集成化、輕量化的發(fā)展，汽車復(fù)合材料尾門,成為各大汽車制造商車身部件模塊化的重要方向。目前傳統(tǒng)尾門采用散件裝配的形式，主要包括內(nèi)外板落料、沖壓、包邊和焊接，隨白車身電泳、涂裝，最后總裝線裝配高位剎車燈、尾燈、牌照燈、玻璃、擾流板、線束、鎖扣、內(nèi)飾板、LOGO等部件；復(fù)合材料尾門可將外板和擾流板集成，內(nèi)板和部分內(nèi)飾板集成設(shè)計(jì)，裝配其他零部件，實(shí)現(xiàn)模塊化供貨，單臺車輛尾門總裝時(shí)間最高可節(jié)省約1 000 s。

復(fù)合材料(Composite Materials)，是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料，通過物理或化學(xué)的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。塑料復(fù)合材料具有密度小、比強(qiáng)度高、抗腐蝕性好、易成形從而降低了復(fù)雜零件的加工難度，塑料基的復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，耐沖擊并可絕熱、不導(dǎo)電，因此，是汽車輕量化的重要材料。目前塑料復(fù)合材料主要應(yīng)用在汽車內(nèi)、外飾等裝飾件上，但是近年來塑料復(fù)合材料正由內(nèi)、外飾等裝飾件向結(jié)構(gòu)件發(fā)展，以減輕汽車結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量[3]。將塑料復(fù)合材料應(yīng)用于汽車尾門，凸顯出的優(yōu)勢有：(1)減重：復(fù)合材料尾門比金屬尾門減重25%～35%，為5～7 kg,提升燃油經(jīng)濟(jì)性；(2)高度集成化：整體注塑成型，大幅減少零部件數(shù)量，省去焊接、節(jié)省裝配等費(fèi)用，減少裝配工具，節(jié)約場地，進(jìn)一步降低成本；(3)寬泛設(shè)計(jì)自由度：設(shè)計(jì)自由度更高，可實(shí)現(xiàn)金屬鈑金件難以成形的形狀，造型美觀，有利于空氣動力學(xué)優(yōu)化；(4)開關(guān)門的輕快性：隨著輕量化，車門開關(guān)的輕快性加強(qiáng)，開關(guān)門的聲音也隨之減輕；(5)低模具成本：模具減少 ，具有更低的模具投入及更低模具維護(hù)維修費(fèi)用；(6)輕微碰撞的低維修費(fèi)：具備一定的彈性，低速碰撞時(shí)可復(fù)原，降低了維修概率，節(jié)省了維修成本；(7)質(zhì)量穩(wěn)定：穩(wěn)定的部件質(zhì)量,注塑產(chǎn)品相對于鈑金焊接質(zhì)量更穩(wěn)定，可達(dá)到注塑機(jī)的一級表面；(8)其他優(yōu)勢：有更好的隔熱，隔音、電絕緣性、化學(xué)耐腐蝕性。

1 尾門的組成

汽車尾門結(jié)構(gòu)作為汽車車身中獨(dú)立的系統(tǒng)總成，一般由尾門本體、尾門附件及尾門內(nèi)外飾三大部分組成，傳統(tǒng)尾門和復(fù)合材料尾門主要零件組成對比見表1。尾門示意圖如圖1所示。

表1 傳統(tǒng)尾門和復(fù)合材料尾門組成對比

圖1 尾門示意

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 材料的選取

基于環(huán)保和造型自由度的考慮，文中的汽車尾門外板采用PP-T20，內(nèi)板采用PP-LGF40，內(nèi)外板采用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行連接，材料性能見表2。

表2 復(fù)合材料尾門材料信息

2.2 厚度選擇

由于塑料材料本身的特性，選擇注塑工藝進(jìn)行加工，選擇料厚時(shí)需綜合考慮外板表面抗凹性、注塑模具壓力、澆口布置等因素；而且尾門內(nèi)板還是主要受力結(jié)構(gòu)，尾門玻璃、尾門鎖、氣彈簧等安裝在尾門內(nèi)板上，厚度選擇需要考慮強(qiáng)度以及剛度的要求。文中的尾門內(nèi)、外板主料厚為2.8 mm，局部加強(qiáng)區(qū)域以及部分加強(qiáng)筋厚度為3 mm。

2.3 局部加強(qiáng)方案

因?yàn)镻P-LGF40材料的彈性模量只有鋼的1/39，強(qiáng)度較差，局部承受扭矩較大區(qū)域需增加金屬加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)。

(1)尾門運(yùn)動時(shí)主要依靠氣撐桿來支撐，需加強(qiáng)尾門兩側(cè)的強(qiáng)度以及增加金屬加強(qiáng)板進(jìn)行局部加強(qiáng)，將鉸鏈加強(qiáng)板與氣彈簧支撐板連成一體，并嵌入模具進(jìn)行嵌件注塑工藝成型；

(2)尾門限位塊區(qū)域承受較大關(guān)門沖擊力，應(yīng)安裝鈑金支架來承受沖擊，避免塑料件被沖破；

(3)后門鎖安裝點(diǎn)增加金屬加強(qiáng)板進(jìn)行加強(qiáng)。

3 碰撞安全性能分析

3.1 后碰法規(guī)

碰撞裝置為一剛性的鋼制結(jié)構(gòu)，表面為平面，寬度不小于2 500 mm，高度不小于800 mm，其棱邊圓角半徑為40～50 mm，表面裝有厚為20 mm的膠合板，碰撞裝置如圖2所示。

圖2 碰撞裝置

3.1.1 移動壁障的放置

移動壁障的碰撞表面應(yīng)鉛垂，并垂直于被撞車輛縱向中心平面；移動壁障移動方向應(yīng)水平，并平行于被撞車輛的縱向中心平面；碰撞表面的中垂線和被撞車輛的縱向中心平面間的橫向偏差不大于300 mm，并且碰撞表面的寬度應(yīng)超過被撞車輛的寬度；碰撞表面下邊緣離地高度為(175±25)mm。

3.1.2 移動壁障的速度和質(zhì)量

根據(jù)法規(guī)要求，移動壁障的碰撞速度為(50±2)km/h，移動壁障的總質(zhì)量為(1 100±20)kg。

3.1.3 主要考察指標(biāo)

(1)在碰撞過程中，燃油裝置不應(yīng)發(fā)生液體泄漏；

(2)碰撞試驗(yàn)后，燃油裝置若有液體連續(xù)泄漏，則在碰撞后前5 min平均泄漏速率不應(yīng)大于30 g/min；

(3)不應(yīng)引起燃料的燃燒；

(4)在碰撞過程中和碰撞試驗(yàn)后，蓄電池應(yīng)由保護(hù)裝置保持自己的位置[4]。

3.2 后碰分析

3.2.1 后碰仿真模型建模

(1)網(wǎng)格劃分：單元基本尺寸取10 mm，最小單元尺寸為3 mm，注意檢查自由邊、自由節(jié)點(diǎn)、單元法向和重復(fù)單元等質(zhì)量問題，布置在車輛后端的燃油系統(tǒng)相關(guān)部件進(jìn)行詳細(xì)建模，包含油箱本體、碳罐總成、燃油管總成；

(2)賦材料屬性：根據(jù)材料屬性清單進(jìn)行賦予；

(3)調(diào)穿透與干涉：檢查干涉與穿透，并進(jìn)行調(diào)整，直至無穿透，干涉厚度小于0.1 mm；

(4)連接：模型各部件之間的連接嚴(yán)格按照實(shí)物之間的連接關(guān)系，分別采用螺栓、鉸鏈、膠接、點(diǎn)焊和縫焊來接，其中螺栓連接用Patch模擬，黏膠和點(diǎn)焊用實(shí)體單元模擬，焊縫用RigidBody模擬；

(5)接觸：主要是焊點(diǎn)接觸、黏膠接觸、自接觸、面面接觸等，整車的自接觸采用*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，這種接觸是基于罰函數(shù)理論，通過檢查從部件集合與主部件集合的接觸情況，通過罰力來阻止從屬部件的節(jié)點(diǎn)穿透到主部件單元中；焊點(diǎn)接觸采用*CONTACT_SPOTWELD；黏膠解除采用*CONTACT_NODE_TO_SURFACE；

(6)加載：按照法規(guī)要求正確擺放壁障，設(shè)置碰撞速度(50±2)km/h；

(7)卡片輸出：設(shè)置計(jì)算時(shí)間、時(shí)間步長等參數(shù)，為了便于后續(xù)結(jié)果分析，需輸出碰撞中的應(yīng)力和應(yīng)變；

(8)截面力輸出：用剛性截面XSectionplane來測量通過傳力路徑上的截面力,輸出截面力的目的是為了在后處理時(shí)可以得出車身各部位傳力大??；

(9)模型的檢查和計(jì)算：基于Hypermesh中Dyna模塊的Dyna Error Check功能，對模型進(jìn)行檢查，模型檢查結(jié)果有兩種，第一種是Warning，第二種是Error，Error需要調(diào)試和改正，Warning一般不導(dǎo)致Dyna計(jì)算異常終止，但是不排除報(bào)錯(cuò)，所以可以在完成Dyna Error Check調(diào)試之后，還需要結(jié)合Dyna計(jì)算軟件的Message文件來調(diào)試模型，使用Ls-dyna 6.1提交計(jì)算，由于模型較大，盡量采用Ncpu較大的計(jì)算機(jī)，并且設(shè)置Memory大于500 m來計(jì)算。

后碰分析模型如圖3所示。

圖3 后碰分析模型

3.2.2 分析結(jié)果

(1)在Hyperview中提取結(jié)果文件，d3plot文件以查看碰撞動畫，并仔細(xì)查看撞擊過程，查看是否發(fā)生異?；蛴辛慵催B接，如果發(fā)生，需調(diào)整模型后重新計(jì)算。通過Glstat文件檢查能量曲線，重點(diǎn)關(guān)注動能、內(nèi)能、沙漏能、接觸能和總能量，各能量曲線如圖4所示，能量變化正常。

圖4 能量曲線

(2)整車變形如圖5所示，未出現(xiàn)惡劣變形，整車結(jié)構(gòu)均滿足要求。

圖5 整車變形

(3)應(yīng)保證電池包在后碰過程中及后碰完成后與其他部件之間的距離，不與其他部件發(fā)生接觸，電池包及安裝支架的應(yīng)變應(yīng)小于0.2，考慮安全裕度，應(yīng)變需小于0.1。分析結(jié)果如圖6所示，其中鋼制尾門中電池包及其安裝支架最大應(yīng)變0.091，復(fù)合材料尾門中電池包及其安裝支架最大應(yīng)變0.094，均滿足要求。

圖6 電池包及其安裝支架應(yīng)變

(4)分別提取鋼制尾門和塑料尾門的車身加速度，如圖7所示，兩次仿真加速度基本一致。

圖7 車身加速度

(5)分別對鋼制尾門和塑料尾門進(jìn)行后碰分析，主要針對尾門變形、應(yīng)變進(jìn)行考察對比，分析結(jié)果如圖8和圖9所示，其中鋼制尾門最大應(yīng)變0.132，復(fù)合材料尾門最大應(yīng)變0.675；鋼制尾門最大變形量165.9 mm，復(fù)合材料尾門最大變形量140.6 mm。

圖8 尾門應(yīng)變

(6)復(fù)合材料尾門應(yīng)變較大，碰撞過程中失效風(fēng)險(xiǎn)較大，針對此問題進(jìn)行尾門結(jié)構(gòu)優(yōu)化，將門肚結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成V型以及采用W型筋條，優(yōu)化后的仿真結(jié)果如圖10和圖11所示，復(fù)合材料尾門最大應(yīng)變0.128，最大變形量169.7 mm，滿足要求。

圖10 優(yōu)化后尾門應(yīng)變

圖11 優(yōu)化后尾門變形量

4 結(jié)束語

采用PP-T20和PP-LGF40材料的尾門與鋼制尾門在后碰方面的性能相當(dāng)，但是質(zhì)量減輕了2.585 kg，減重比例達(dá)到35.3%，同時(shí)零件數(shù)量由15個(gè)減為6個(gè)，節(jié)約總裝工時(shí)1 000 s。

受限于進(jìn)口的原材料以及生產(chǎn)工藝，盡管復(fù)合材料尾門模具相對于傳統(tǒng)鈑金件尾門的模具成本要低，但是采用復(fù)合材料的成本為傳統(tǒng)鈑金件的3～5倍，導(dǎo)致尾門總成相比于鈑金件尾門成本高。隨著生產(chǎn)工藝的優(yōu)化以及原材料的國產(chǎn)化，復(fù)合材料尾門的成本將會逐步降低，未來復(fù)合材料尾門將會大規(guī)模應(yīng)用[5]。