（寧波華翔汽車技術(shù)有限公司，寧波 315033）

0 引言

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染加劇，汽車輕量化逐步成為汽車工業(yè)節(jié)能減排的重要途徑之一。研究表明約75%的油耗與整車質(zhì)量相關(guān)，降低汽車質(zhì)量就可以有效的降低油耗及排放。有研究表明，汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降8%[1]，CO2排放可以降低10g/km[2]。

汽車尾門作為車身閉合件系統(tǒng)的重要組成部分，承擔(dān)著開啟關(guān)閉及封閉的功能。傳統(tǒng)尾門主要采用鋼材，由于鋼材具有高密度使得整車重量增加。以塑代鋼技術(shù)是車身輕量化的重要手段。塑料尾門可降低尾門重量并改善內(nèi)部阻尼，減重比可達(dá)到20%～30%[3,4]。

本文以某車身塑料尾門為研究對象，對自由模態(tài)、扭曲剛度、彎曲剛度等工況進(jìn)行分析，針對扭曲剛度進(jìn)行不同方向的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，對其中改善結(jié)果最好的方案進(jìn)行進(jìn)一步的仿真研究。

1 塑料尾門結(jié)構(gòu)及材料

尾門系統(tǒng)通常包括尾門內(nèi)板、尾門外板、加強(qiáng)板、鉸鏈、限位器、門鎖、氣彈簧、外手柄和密封條等，其布置設(shè)計(jì)的好壞與尾門的模態(tài)、剛度和抗凹性有直接的關(guān)系。對于結(jié)構(gòu)分析來說，一般包括內(nèi)外板、加強(qiáng)件、連接件等。塑料尾門一般內(nèi)外板采用塑料件，用膠壓合進(jìn)行連接。常用的外板材料采用PP+EPDMT20，PPO+PA或SMC，內(nèi)板采用SMC或PP-LGF[5]。圖1為不同材料性能對比分析，綜合對比，PP材料（外板PP+EPDM-T20，內(nèi)板為PP-LGF）具有密度低、成本低、生產(chǎn)效率高且強(qiáng)度滿足產(chǎn)品要求的優(yōu)點(diǎn)，目前已成為塑料尾門材料的發(fā)展趨勢[6,7]。

圖1 內(nèi)外板性能對比

2 塑料尾門性能分析

2.1 有限元模型建立

將塑料尾門3D模型簡化后導(dǎo)入Hypermesh軟件中，簡化模型包含外板、內(nèi)板、加強(qiáng)件及膠，內(nèi)板與外板采用膠粘接連接，加強(qiáng)板與內(nèi)板采用螺栓連接，模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

尾門外板材料采用PP+EDPM-20TD，厚度1.5mm；內(nèi)板為PP+40LFG，厚度2.5mm；加強(qiáng)板采用鋼材，厚度2mm。各材料參數(shù)如表1所示。

圖2 尾門模型

表1 尾門部件材料參數(shù)

2.2 尾門性能分析

尾門結(jié)構(gòu)有限元分析是目前尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)必要的手段，也是預(yù)測和分析尾門性能的重要方法[8]。尾門的結(jié)構(gòu)分析主要是模擬分析尾門在使用狀態(tài)的下受力情況如尾門的下垂、開啟、關(guān)閉及人為的按壓的等問題，需要對尾門的橫向、下垂、彎曲和扭轉(zhuǎn)及安裝點(diǎn)等剛度進(jìn)行分析。另外考慮到尾門與整車的共振問題，還需要對尾門模態(tài)進(jìn)行分析[9]。各分析結(jié)果如表2所示。

從表2的分析結(jié)果中可以看出尾門橫向剛度、下垂剛度、彎曲剛度及鎖扣安裝點(diǎn)剛度均達(dá)到了目標(biāo)要求；一階扭轉(zhuǎn)、一階彎曲、鉸鏈安裝點(diǎn)剛度雖未達(dá)到要求但與目標(biāo)值相差不大，扭轉(zhuǎn)剛度與目標(biāo)值相差較大。其原因主要是由于PP+LFG的彈性模量僅為鈑金的1/25，在增加料厚的同時(shí)需要增大腔體[4]。

3 扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化分析

3.1 尾門結(jié)構(gòu)優(yōu)化

針對扭轉(zhuǎn)剛度與目標(biāo)值偏差較大的問題，需要對尾門結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。圖3為尾門扭轉(zhuǎn)工況約束及加載情況，圖4為扭轉(zhuǎn)工況變形云圖。

圖3 扭轉(zhuǎn)工況約束及加載

表2 尾門各工況分析結(jié)果

圖4 扭轉(zhuǎn)變形云圖

根據(jù)變形云圖可知，扭轉(zhuǎn)變形主要是在鉸鏈與加載點(diǎn)之間的區(qū)域。針對扭轉(zhuǎn)變形結(jié)果給出幾種改進(jìn)方案如圖5所示。

由于外板為造型面，一般情況下不建議更改，所以改進(jìn)方向主要從內(nèi)板和加強(qiáng)件上下手。由于該尾門屬于以塑代鋼方案，其鋼板尾門車型已經(jīng)量產(chǎn)，受原始結(jié)構(gòu)空間限制無法通過增大空腔來提高扭轉(zhuǎn)剛度。

方案1為內(nèi)板加筋方案，筋壁厚3mm；方案2為內(nèi)板局部增厚方案，局部區(qū)域增厚至4mm；方案3為腔內(nèi)增加鑄鋁加強(qiáng)件方案，厚度4mm；方案4為內(nèi)腔體玻璃周圍增加2mm環(huán)形加強(qiáng)件，材料與內(nèi)板一致；方案5為內(nèi)外板之間增加2mm厚的中間夾層板，材料與內(nèi)板一致。

3.2 性能分析

原始方案及5種改進(jìn)方案分析對比結(jié)果如表3所示。

表3 各改進(jìn)方案結(jié)果對比

從表3中得出方案1質(zhì)量增加的最少，但剛度提升的也最小，方案3剛度增加的最多，但質(zhì)量增加的也最多。這5種結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案除方案3外，其余結(jié)果與目標(biāo)值160Nm/deg還有一定的差距，需要進(jìn)一步的優(yōu)化。

3.3 深入仿真優(yōu)化

表3的結(jié)果表明，加筋方案和增加環(huán)形加強(qiáng)件方案對改善扭轉(zhuǎn)剛度效果不明顯，而內(nèi)板局部增厚方案和增加中間夾層板方案由于受空間和工藝的限制厚度已經(jīng)無法增加。

方案3的主要缺點(diǎn)在于質(zhì)量增加的較多，而且其中有一部分結(jié)構(gòu)與鉸鏈加強(qiáng)板重合，造成材料的浪費(fèi)，進(jìn)一步優(yōu)化中對尾門原有加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)也進(jìn)行了優(yōu)化。

圖6為幾種不同結(jié)構(gòu)的深入改進(jìn)方案，圖中黃色的部分為原有尾門加強(qiáng)板。

圖6 幾種深入改進(jìn)方案

方案6為在鉸鏈加強(qiáng)板與氣撐桿加強(qiáng)板之間增加L型加強(qiáng)件；方案7為方案6基礎(chǔ)上合并鉸鏈加強(qiáng)板與L行加強(qiáng)件；方案8為方案7基礎(chǔ)上合并氣撐桿加強(qiáng)板。深入改進(jìn)方案中L型加強(qiáng)件均為鑄鋁材料，其中方案6的加強(qiáng)件整體厚度為4mm，方案7和方案8加強(qiáng)件厚度為6mm。

各深入方案的分析結(jié)果如表4所示，方案6質(zhì)量增加最多為2.8kg，剛度提升42.9%；方案7與方案8剛度提升分別為46.1%和46.3%，質(zhì)量增加分別為1.1kg和1.4kg。3個(gè)方案扭轉(zhuǎn)剛度均以達(dá)到目標(biāo)要求。

從表可以看出方案6的增加的質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案7和方案8，其原因?yàn)樵械你q鏈加強(qiáng)板為鋼材質(zhì)量較大，而方案7和8是采用L型加強(qiáng)件結(jié)構(gòu)集成了原來的鉸鏈加強(qiáng)板的功能，材料上采用了更輕的鑄鋁。另外，方案7與方案8其兩者的剛度提升效率相差不大，這說明氣撐桿加強(qiáng)板周圍結(jié)構(gòu)的對尾門扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，而鉸鏈加強(qiáng)板周圍結(jié)構(gòu)對扭轉(zhuǎn)剛度影響較大。

表4 各深入改進(jìn)方案結(jié)果對比

4 尾門樣件扭轉(zhuǎn)剛度驗(yàn)證

根據(jù)仿真分析結(jié)果對方案7進(jìn)行樣件制作，改進(jìn)后的塑料尾門質(zhì)量約為14.1kg，原鋼板尾門質(zhì)量為20.5kg，減重比達(dá)到31.2%。

使用尾門專用試驗(yàn)工裝上對樣件安裝點(diǎn)剛度、橫向剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度等進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)示意圖如圖7所示。

圖7 尾門剛度測試示意圖

尾門扭轉(zhuǎn)剛度仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比如表5所示，試驗(yàn)值與計(jì)算值誤差為8.2%，在可接受范圍內(nèi)（一般要求試驗(yàn)值與分析值誤差在10%內(nèi)）。

表5 扭轉(zhuǎn)剛度分析與仿真結(jié)果對比

5 結(jié)語

隨著汽車輕量化的推進(jìn)，塑料尾門的設(shè)計(jì)與優(yōu)化在其中的作用也越來越明顯。在用塑料代替鋼板結(jié)構(gòu)的時(shí)候由于兩種材料與工藝的差異導(dǎo)致塑料尾門在一些工況上相對于傳統(tǒng)尾門會(huì)有所減弱。本文以扭轉(zhuǎn)工況為例，利用有限元技術(shù)找出塑料尾門的薄弱區(qū)域，對比不同的改進(jìn)方案，找出其中效率與成本最優(yōu)的方案，然后對比試驗(yàn)結(jié)果與理論分析，驗(yàn)證其可行性?；谟邢拊奈查T扭轉(zhuǎn)剛度研究方法可以有效的指導(dǎo)設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)研發(fā)。