王俊峰　陳美玉　王峻峰

摘 要：文章以某車型的尾門(mén)為研究對(duì)象，基于等性能原則，將傳統(tǒng)鋼材質(zhì)的尾門(mén)內(nèi)外板替換為塑料材質(zhì)，并對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，利用Hypermesh軟件對(duì)塑料尾門(mén)的性能進(jìn)行有限元仿真分析，在實(shí)現(xiàn)剛度等性能目標(biāo)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)尾門(mén)的輕量化設(shè)計(jì)，最終尾門(mén)實(shí)現(xiàn)減重37%。

關(guān)鍵詞：尾門(mén);塑料;剛度;輕量化

中圖分類號(hào)：U465? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 文章編號(hào)：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(jī)和環(huán)境污染日益嚴(yán)重，因此對(duì)汽車節(jié)能減排的要求也不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(dāng)代汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。汽車輕量化設(shè)計(jì)主要有2 種方式：（1）設(shè)計(jì)更加合理的結(jié)構(gòu)，從而避免過(guò)設(shè)計(jì);（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(fù)合材料等輕型材料或高強(qiáng)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(shí)也是最具有挑戰(zhàn)的一種，必須在改變零部件材料的同時(shí)滿足剛度性能指標(biāo)。因此本文以某車型尾門(mén)為研究對(duì)象，將鋼材質(zhì)的尾門(mén)內(nèi)外板替換為塑料材質(zhì)，在保證剛度滿足性能目標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)尾門(mén)的減重。

1 塑料尾門(mén)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)

1.1 傳統(tǒng)鋼材質(zhì)尾門(mén)總成結(jié)構(gòu)

尾門(mén)總成由尾門(mén)外板與內(nèi)板焊接總成構(gòu)成（圖1），外板與內(nèi)板焊接總成通過(guò)包邊工藝實(shí)現(xiàn)連接，尾門(mén)內(nèi)板總成由內(nèi)板與加強(qiáng)件通過(guò)點(diǎn)焊構(gòu)成。尾門(mén)外板材質(zhì)為B170P1，板厚為0.7mm;尾門(mén)內(nèi)板材質(zhì)為DC06，板厚為0.6mm。

1.2 塑料尾門(mén)設(shè)計(jì)

對(duì)于尾門(mén)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，不論是傳統(tǒng)鋼材料尾門(mén)還是塑料材質(zhì)尾門(mén)，其性能要求都是一樣的，例如剛度、模態(tài)和耐久等性能。對(duì)于塑料尾門(mén)，如何滿足剛度性能，往往是塑料尾門(mén)設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

1.2.1 塑料尾門(mén)內(nèi)、外板材質(zhì)確定

目前市場(chǎng)上配置塑料尾門(mén)的車型，尾門(mén)外板材料均為PP熱塑性材料，尾門(mén)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(mén)輕量化方案中，尾門(mén)外板采用PP+EPDM+TD20材料，尾門(mén)內(nèi)板采用PP-LGF40-0455材料，尾門(mén)加強(qiáng)件的材料與原鋼結(jié)構(gòu)加強(qiáng)件材質(zhì)相同。尾門(mén)內(nèi)、外板及加強(qiáng)件的材料技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

1.2.2 塑料尾門(mén)內(nèi)、外板厚度確定

在以往的設(shè)計(jì)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(shí)，替換后的板材厚度可以通過(guò)等剛度替換理論的下式（1）計(jì)算得出。

若基于等剛度替換理論確定塑料尾門(mén)內(nèi)、外板的厚度，這樣計(jì)算得出的內(nèi)外板厚度會(huì)很厚，無(wú)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(mén)設(shè)計(jì)，塑料尾門(mén)內(nèi)外板厚度確定應(yīng)以注塑工藝要求為基準(zhǔn)確定。選擇料厚時(shí)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(mén)內(nèi)外板要滿足注塑工藝要求，主體厚度需設(shè)計(jì)在3mm以下。結(jié)合競(jìng)品車測(cè)量數(shù)據(jù)，最終選定塑料尾門(mén)外板主體厚度為3mm，尾門(mén)內(nèi)板主體厚度為2.5mm。

1.2.3 塑料尾門(mén)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在塑料尾門(mén)設(shè)計(jì)時(shí)，如不考慮車型配置分色要求，尾門(mén)可以設(shè)計(jì)為集成擾流板、左右側(cè)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(cè)飾板與尾門(mén)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(mén)外板集成一體（圖2）。尾門(mén)內(nèi)板與尾門(mén)加強(qiáng)件采用螺釘緊固連接（圖3），尾門(mén)外板與尾門(mén)內(nèi)板采用聚氨酯膠粘合連接，聚氨酯膠技術(shù)參數(shù)為：彈性模量 5MPa、泊松比 0.393（23度）、密度1.26g/ml。

2 尾門(mén)剛度性能分析

2.1 塑料尾門(mén)有限元模型的建立

將塑料尾門(mén)幾何模型導(dǎo)入Hypermesh前處理軟件中，經(jīng)過(guò)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(guò)單元總數(shù)的5%。尾門(mén)模型主要包括內(nèi)板、外板及加強(qiáng)板等。建立局部坐標(biāo)系：取尾門(mén)鎖點(diǎn)與鉸鏈軸建立局部坐標(biāo)系。在該局部坐標(biāo)系中，x方向?yàn)殂q鏈軸方向，y方向?yàn)殂q鏈軸與鎖點(diǎn)確定平面的法線方向。

2.2 性能分析標(biāo)準(zhǔn)

2.2.1 尾門(mén)彎曲剛度分析

約束條件見(jiàn)圖4，載荷工況：在尾門(mén)鎖點(diǎn)處施加y向300N的載荷。

2.2.2 尾門(mén)雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度分析

約束條件見(jiàn)圖5，載荷工況：在尾門(mén)兩側(cè)緩沖塊位置沿y方向施加240Nm扭矩。

2.2.3 尾門(mén)單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度分析

約束條件見(jiàn)圖6，載荷工況：在尾門(mén)左側(cè)緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

2.2.4 尾門(mén)中部剛度分析

約束條件見(jiàn)圖7，載荷工況：在尾門(mén)中部緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

2.2.5 尾門(mén)角剛度分析

約束條件見(jiàn)圖8，載荷工況：在尾門(mén)下部緩沖塊位置施加y向100N的載荷。

2.3 性能分析對(duì)比

依據(jù)2.2節(jié)分析標(biāo)準(zhǔn)對(duì)塑料尾門(mén)的彎曲剛度、雙側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度、單側(cè)扭轉(zhuǎn)剛度、中部剛度、角剛度進(jìn)行分析，各工況下的位移云圖如圖9～13所示，剛度分析結(jié)果見(jiàn)表2。通過(guò)分析比對(duì)可知，塑料尾門(mén)剛度性能均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

3 輕量化效果分析

為得到塑料尾門(mén)減重效果，將塑料尾門(mén)與原鋼材質(zhì)尾門(mén)模型進(jìn)行比較（見(jiàn)表3），通過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比可知塑料尾門(mén)相比鋼材質(zhì)尾門(mén)約減重37%。

4 總結(jié)

文章以滿足剛度性能要求為目標(biāo)來(lái)進(jìn)行尾門(mén)輕量化設(shè)

計(jì)，將傳統(tǒng)的鋼材質(zhì)尾門(mén)用塑料材質(zhì)來(lái)替換，并對(duì)尾門(mén)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)更改，通過(guò)對(duì)各工況下尾門(mén)的剛度進(jìn)行有限元仿真分析，在尾門(mén)剛度性能達(dá)到目標(biāo)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)尾門(mén)的輕量化設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

[1] 付燕鵬，葉瑜合，譚敦松.鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2018（12）.

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

[3] 李飛，黃小征，王帥.碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)蓋的性能分析及試驗(yàn)驗(yàn)證[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2019（10）.