張瑞俊　張錦宙　李建衡

摘 要：為了降低某商用車重量，提升其輕量化性能;對(duì)其導(dǎo)流罩使用輕量化材料，進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，在保證性能與標(biāo)桿產(chǎn)品持平的前提下實(shí)現(xiàn)重量降低。標(biāo)桿產(chǎn)品使用SMC，輕量化材料使用PDCPD。PDCPD材料剛度低于SMC材料，為保證產(chǎn)品剛度，首先以剛度目標(biāo)為導(dǎo)向，使用仿真優(yōu)化輔助產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品剛度性能達(dá)標(biāo)。產(chǎn)品剛度性能達(dá)標(biāo)后，局部位置出現(xiàn)應(yīng)力集中，對(duì)應(yīng)力集中的位置局部加強(qiáng)及改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品強(qiáng)度達(dá)標(biāo);最終實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品剛度、強(qiáng)度仿真分析結(jié)果均達(dá)標(biāo)，并且實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品重量降低40%。

關(guān)鍵詞：輕量化 導(dǎo)流罩 PDCPD 仿真優(yōu)化 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1 前言

近年來(lái)，隨著我國(guó)汽車工業(yè)的快速發(fā)展，商用車作為一種重要的生產(chǎn)資料，產(chǎn)銷量不斷提高。隨著新版GB1589-2016的實(shí)施，加之國(guó)家對(duì)于限超治超整治力度的加大，客戶購(gòu)買重卡是對(duì)車輛自重的關(guān)注越來(lái)越強(qiáng)烈，數(shù)據(jù)表明，汽車重量每降低10%，可降低油耗6%～8%。自重降低不僅為客戶降低了油耗，針對(duì)載貨車而言，自重的降低也意味者司機(jī)出車科載重更多的貨物，提升單趟出的經(jīng)濟(jì)效益[1]。當(dāng)前重型汽車排放要求和載重量限制要求的不斷提升，輕量化已成為商用車核心技術(shù)，新材料、新技術(shù)的應(yīng)用對(duì)提高汽車核心技術(shù)及競(jìng)爭(zhēng)力有重要作用。

PDCPD（聚雙環(huán)戊二烯）作為一種新興材料，在輕量化、抗沖擊、耐腐蝕性及環(huán)保上較現(xiàn)有玻璃鋼材料具有明顯的優(yōu)勢(shì)，已在國(guó)外得到大范圍應(yīng)用，國(guó)內(nèi)目前在工程機(jī)械上應(yīng)用較多，商用車領(lǐng)域各大企業(yè)在外飾產(chǎn)品上也做了諸多嘗試及研究。本文對(duì)商用車PDCPD導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)做簡(jiǎn)要論述，旨在為行業(yè)提供參考。

2 PDCPD導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)

2.1 PDCPD導(dǎo)流罩性能初步分析

現(xiàn)狀導(dǎo)流罩多使用SMC材料，材料密度1.8g/cm3，材料彎曲模量11GPA;PDCPD導(dǎo)流罩材料密度1.03g/cm3，材料彎曲模量2Gpa。PDCPD材料密度為SMC材料的57.2%，彎曲模量為SMC材料的18.2%，需重點(diǎn)關(guān)注PDCPD導(dǎo)流罩剛度性能;導(dǎo)流罩為外飾結(jié)構(gòu)功能件，行車過(guò)程受風(fēng)壓及振動(dòng)，同時(shí)需關(guān)注其強(qiáng)度性能。

2.2 PDCPD導(dǎo)流罩性能目標(biāo)

為保證PDPCPD導(dǎo)流罩在使用過(guò)程中滿足服役性能要求，應(yīng)用虛擬仿真優(yōu)化技術(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案剛度及強(qiáng)度進(jìn)行全方位的分析驗(yàn)證及優(yōu)化;設(shè)定PDCPD導(dǎo)流罩仿真分析關(guān)鍵性能目標(biāo)見下表1、表2。

2.3 PDCPD導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

PDCPD材料彎曲彈性模量為SMC產(chǎn)品的18%，導(dǎo)流罩使用PDCDP產(chǎn)品設(shè)計(jì)，首先需解決的問(wèn)題是剛度問(wèn)題。通過(guò)對(duì)標(biāo)桿SMC導(dǎo)流罩分析，判斷導(dǎo)流罩變形大位置，進(jìn)行加強(qiáng)。

（1）標(biāo)桿SMC產(chǎn)品最大變形分析。

a頂導(dǎo)流罩最大變形在導(dǎo)流罩中部位置，且前后兩側(cè)均有較大變形，如下圖1所示。

b側(cè)導(dǎo)流變形位置在側(cè)導(dǎo)流罩后部位置，且上下均有變形點(diǎn)，如下圖2所示。

（2）PDCPD導(dǎo)流罩產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，由于材料彎曲模量遠(yuǎn)低于SMC材料;需在標(biāo)桿產(chǎn)品變形大位置進(jìn)行加強(qiáng)，可采用加強(qiáng)筋、金屬骨架、玻纖增強(qiáng)材料非金屬骨架、增加壁厚等加強(qiáng)方案;綜合性能、成本、重量進(jìn)行最優(yōu)化考慮，最終確定的設(shè)計(jì)方案為使用外板本體+筋條+筋條位置局部加厚+PDCPD非金屬骨架的設(shè)計(jì)方案;頂導(dǎo)流罩在前側(cè)及后側(cè)均布置加強(qiáng)骨架，并在中部設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋;側(cè)導(dǎo)流罩在后部設(shè)計(jì)加強(qiáng)骨架，并設(shè)計(jì)均布的加強(qiáng)筋。導(dǎo)流罩本體材料使用PDCPD，基本厚度3mm，加強(qiáng)筋位置局部加厚至7mm;加強(qiáng)骨架基本壁厚1.5mm，并根據(jù)強(qiáng)度分析結(jié)果局部加強(qiáng)，加厚;加強(qiáng)筋高度13mm，底部厚度2mm;整體布置設(shè)計(jì)方案如下圖3所示。

2.4 設(shè)計(jì)分析優(yōu)化及驗(yàn)證

2.4.1 剛度仿真分析

對(duì)比標(biāo)桿產(chǎn)品及PDCPD導(dǎo)流罩設(shè)計(jì)方案，PDCPD導(dǎo)流罩剛度仿真分析滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。一階模態(tài)分析，PDCPD導(dǎo)流罩一階模態(tài)，與標(biāo)桿產(chǎn)品相近，滿足性能目標(biāo)，詳細(xì)分析結(jié)果如下表3所示;最大變形分析：PDCPD導(dǎo)流罩整體最大變形低于標(biāo)桿產(chǎn)品最大變形，滿足性能目標(biāo)，其中PDCPD頂導(dǎo)流罩最大變形低于標(biāo)桿產(chǎn)品，側(cè)導(dǎo)流罩變形高于標(biāo)桿產(chǎn)品，詳細(xì)分析結(jié)果如下所示。

2.4.2 強(qiáng)度仿真分析

由于使用的PDCPD骨架基本壁厚僅1.5mm，骨架分析過(guò)程中出現(xiàn)了應(yīng)力較大問(wèn)題，對(duì)應(yīng)力大的位置進(jìn)行多輪優(yōu)化，如局部加厚，圓角加大、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)、切除應(yīng)力大區(qū)域?qū)嵭袘?yīng)力轉(zhuǎn)移等方案，強(qiáng)度均不低于標(biāo)桿產(chǎn)品。PDCPD產(chǎn)品扶手受力工況、X向、Y向以及Z向振動(dòng)分析安全系數(shù)均高于標(biāo)桿產(chǎn)品;風(fēng)壓工況扶手工況低于標(biāo)桿產(chǎn)品，但安全系數(shù)≥1.3，強(qiáng)度仿真分析滿足要求。分析驗(yàn)證結(jié)果如下所示：

2.4.3 質(zhì)量測(cè)定

標(biāo)桿產(chǎn)品實(shí)物重量測(cè)試為22.11Kg;PDCPD產(chǎn)品按材料密度1.03g/cm3，通過(guò)CATIA測(cè)定3D重量為12.6Kg，PDCPD產(chǎn)品相對(duì)標(biāo)桿產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)重量降低9.5Kg，將重幅度43%，具有良好的輕量化效果，并且由于重量大幅降低，使用國(guó)產(chǎn)PDCPD材料生產(chǎn)，成本也具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)語(yǔ)

在保證零件性能的基礎(chǔ)上，通過(guò)仿真優(yōu)化分析級(jí)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，PDCPD導(dǎo)流罩相對(duì)常規(guī)SMC導(dǎo)流罩降重可達(dá)40%，具有良好的輕量化效果，可推廣至商用車發(fā)罩、前面板、保險(xiǎn)杠、側(cè)圍、側(cè)護(hù)裙等零件，具有良好的應(yīng)用前景;國(guó)產(chǎn)PDCPD材料已初具規(guī)模，使用國(guó)產(chǎn)材料可以在降重的同實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)成本不增加，替代傳統(tǒng)模壓SMC零件。PDCPD模具投資約為模壓SMC的50%，開發(fā)投資低，而且材料環(huán)保性更好，可回收再利用，有助于汽車外飾零部件產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型、環(huán)保及輕量化升級(jí)。

參考文獻(xiàn)：

[1]張輝.重卡外飾件輕量化設(shè)計(jì)方法研究.陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，2020.