摘 要：當(dāng)前絕大部分汽車前機(jī)蓋均采用金屬材料制成，其優(yōu)點(diǎn)是工藝成熟、尺寸穩(wěn)定。隨著新能源汽車的逐步發(fā)展，結(jié)合低能耗、低風(fēng)阻的需求，造型越來越趨向簡(jiǎn)潔、流線、封閉前格柵燈風(fēng)格。而對(duì)于前機(jī)蓋邊緣R角需求更小，傳統(tǒng)金屬材料成型困難，結(jié)合輕量化目標(biāo)，研究一種大尺寸全塑汽車機(jī)艙蓋，結(jié)合CAE仿真分析和Modleflow工藝優(yōu)化，采用注塑成型和膠粘工藝實(shí)現(xiàn)輕量化25%以上，本文將對(duì)設(shè)計(jì)過程優(yōu)化進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：汽車 輕量化 大尺寸全塑外覆蓋件 前機(jī)蓋

1 緒論

近年來低風(fēng)阻、低能耗、高續(xù)航、智能化等成為各大主機(jī)廠研究的重點(diǎn)。為提高續(xù)航能力，降低能耗，普遍采取流線型外觀設(shè)計(jì)，前臉格柵封閉式造型來降低風(fēng)阻系數(shù)；同時(shí)采用輕量化的材料進(jìn)行替代。如采用高性能復(fù)合材料可減輕汽車零部件約25%的質(zhì)量，可降低成本20%，因此對(duì)輕質(zhì)材料的研究是汽車輕量化發(fā)展的趨勢(shì)。

2 高性能復(fù)合材料前機(jī)蓋的設(shè)計(jì)研究

2.1 研究方案

基于成熟的功能、材料、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)，本文將針對(duì)某款新能源汽車的前機(jī)蓋進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，研究三個(gè)方面內(nèi)容：基于前機(jī)蓋功能需求，研究復(fù)合材料的物理特性，選擇合適的材料；基于功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)下的復(fù)合材料前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及大尺寸高精度的覆蓋件的成型工藝分析；復(fù)合材料與復(fù)合材料連接技術(shù)研究，最終形成一套高性能復(fù)合材料前機(jī)蓋的評(píng)價(jià)規(guī)范。

2.2 材料選取

基于前機(jī)蓋在整車的功能和法規(guī)（開啟/關(guān)閉、頭碰、抗風(fēng)阻）等需求，分析復(fù)合材料的物理特性與傳統(tǒng)鋼板的差異對(duì)比（如表1），選取合適的復(fù)合材料。

從表1可以看出鋼板的彈性模量為復(fù)合材料的30倍，剛度為復(fù)合材料的2.4倍，因此需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到相同剛度（如圖1）。

優(yōu)化后與鈑金的扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)比見表2。

還通過內(nèi)板材料中玻纖長(zhǎng)度的調(diào)整，對(duì)整個(gè)性能也有顯著的影響，如圖2所示。

經(jīng)過對(duì)比分析，最終前機(jī)蓋內(nèi)板采用PP-LGF40材料，外板采用PP+EPDM-T30材料，整車性能分解有強(qiáng)度要求的位置處通過CAE輔助優(yōu)化結(jié)構(gòu)及添加不同長(zhǎng)度玻纖以達(dá)到與鋼板性能相當(dāng)。

2.3 基于功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)下的復(fù)合材料前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

依據(jù)整車功能、性能等目標(biāo)要求，前機(jī)蓋需滿足整車碰撞頭部法規(guī)，及外板抗凹特性、抗溫度變化穩(wěn)定性等，利用成熟的功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)建立前機(jī)蓋數(shù)字結(jié)構(gòu)模型，基于CAE分析優(yōu)化（如圖3、圖4所示）完成滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和良好模流成型能力（如圖5所示）的前機(jī)蓋結(jié)構(gòu)開發(fā)，適應(yīng)一系列力學(xué)、尺寸、安裝等方面應(yīng)用需求。

2.4 開發(fā)高可靠性、高精度、高性能復(fù)合材料-復(fù)合材料的連接技術(shù)

前機(jī)蓋內(nèi)板和外板采用高分子組分膠連接。測(cè)試靜態(tài)拉伸強(qiáng)度破壞實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到10.6 Mpa（如圖6-7所示），膠接性能拉伸疲勞耐久測(cè)試結(jié)果達(dá)106次（如表3膠接性能拉伸疲勞試驗(yàn)結(jié)果）。根據(jù)復(fù)合材料特性，選取高分子樹脂粘結(jié)劑進(jìn)行粘接，經(jīng)火焰處理提高復(fù)合材料活性，多輪驗(yàn)證優(yōu)化后最終獲得可靠的前機(jī)蓋總成（如圖8所示）。

3 結(jié)論

高性能復(fù)合材料的應(yīng)用為整車重量的降低打開了一個(gè)明確的窗口，通過該方案的實(shí)施，將完全掌握復(fù)合材料在汽車上的設(shè)計(jì)方案、開發(fā)、驗(yàn)證，取得顯著成效。

（1）前機(jī)蓋總成安裝點(diǎn)剛度大于目標(biāo)值，抗凹性最大位移量小于目標(biāo)設(shè)定，滿足整車性能要求；（2）在滿足整車性能要求的前提下，相比傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品總成重量25%；（3）總結(jié)出全塑高性能復(fù)合材料前機(jī)蓋的“材料-功能-結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)-CAE優(yōu)化-成型工藝-批量應(yīng)用”一套設(shè)計(jì)方法和評(píng)價(jià)規(guī)范。

基金項(xiàng)目：安徽省重大專項(xiàng)（202203f07020008）。

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