李海豐，楊明，楊紅旗，熊建國(guó)

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰 442002；2.東風(fēng)(十堰)林泓汽車配套件有限公司，湖北十堰 442002)

0 引言

隨著商用車行業(yè)的高速發(fā)展，客戶對(duì)車輛的節(jié)能效果日益重視，其中燃油經(jīng)濟(jì)性能即是一個(gè)重要指標(biāo)，這與整車以及零部件的輕量化水平有很大關(guān)系[1]。擋泥板支架是商用車底盤上的一個(gè)關(guān)鍵零部件，其上安裝有擋泥板、尾燈等附件，功能相當(dāng)重要；支架在工態(tài)下承受較為復(fù)雜的振動(dòng)與沖擊，力學(xué)性能要求較高，因此為保證其功用，目前通常選用鑄鋼或碳鋼作為支架用材，但這明顯不利于商用車輕量化的發(fā)展。為此，本文作者以某型號(hào)商用車擋泥板支架(圖1)為研究對(duì)象，利用SW軟件三維建模，并使用有限元分析軟件INVENTOR和MADAS進(jìn)行CAE分析，從材質(zhì)選用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面對(duì)擋泥板支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，獲得較好的效果，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

圖1 擋泥板支架(材質(zhì)：鑄鋼;總長(zhǎng)710 mm)

1 研究過程及結(jié)果

1.1 材料初選分析

工程塑料和復(fù)合材料應(yīng)用在汽車零部件上獲得了很好的減重效果，最突出的特點(diǎn)是“輕質(zhì)高強(qiáng)”，逐漸形成了“以塑代鋼”的汽車輕量化發(fā)展理念。在一些復(fù)雜工況的零部件上，常規(guī)的工程塑料因力學(xué)性能不足、尺寸穩(wěn)定性較差等問題而無法使用[2]，但聚合物基復(fù)合材料，特別是纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(玻纖增強(qiáng)和碳纖增強(qiáng))在車輛省油、減震、隔音、吸能等方面表現(xiàn)出顯著優(yōu)勢(shì)[3]，這極大擴(kuò)展了汽車輕量化選材的范圍。目前很多文獻(xiàn)也報(bào)道了該類材料在汽車輕量化上的運(yùn)用效果[4-5]。結(jié)合文中研究對(duì)象擋泥板支架需要較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度，同時(shí)考慮到工藝性和經(jīng)濟(jì)性，初步選取玻纖增強(qiáng)型復(fù)合材料(俗稱玻璃鋼)和碳纖增強(qiáng)型復(fù)合材料，型號(hào)分別為玻纖增強(qiáng)尼龍PA66+GF30和碳纖增強(qiáng)尼龍PA66+CF30，將這兩種材料做對(duì)比分析以擇優(yōu)選用。材料性能特點(diǎn)與鑄鋼的比較見表1。

表1 3種材料性能特點(diǎn)對(duì)比

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及材料選用分析

首先對(duì)原鑄鋼材質(zhì)的支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，其結(jié)構(gòu)主要由三部分構(gòu)成，即底座、圓管及其上的附件。支架通過底座上的4個(gè)螺栓與車架固定，而底座與圓管又通過焊接和螺栓連接，附件也焊接在圓管上。對(duì)支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，就需要減少零件數(shù)量，盡量采用同樣的工藝一次成型，因此采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，即可實(shí)現(xiàn)“以少代多”。

考慮到支架的裝配要求，即大小尺寸與裝配空間的匹配以及不改變、不干涉支架周圍的零部件，確定一體化支架的基本結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成，即長(zhǎng)方形底板、底板上的中空?qǐng)A筒體和圓筒體根部四周的加強(qiáng)筋。底板邊角以及圓筒體根部部位采用圓弧過渡，底板仍然通過4個(gè)螺栓與車架固定。初步設(shè)計(jì)出3種支架結(jié)構(gòu)方案，3種方案的結(jié)構(gòu)如圖2所示。通過CAE的剛度(位移或變形)及強(qiáng)度(結(jié)構(gòu)安全系數(shù))分析，優(yōu)選出合適的材料和結(jié)構(gòu)。

圖2 3種方案的支架結(jié)構(gòu)示意

方案1：底板上延伸出壁厚8 mm的管體，管體根部四周設(shè)計(jì)短尺寸的加強(qiáng)筋。

方案2：底板上延伸出壁厚6 mm的管體，管體根部四周設(shè)計(jì)長(zhǎng)尺寸的加強(qiáng)筋。

方案3：底板上延伸出圓錐形管體，圓管前段壁厚7.5 mm，后段壁厚12.5 mm，管體根部四周設(shè)計(jì)長(zhǎng)尺寸的加強(qiáng)筋。

3種方案的底板結(jié)構(gòu)、支架總長(zhǎng)度一樣。利用有限元分析軟件INVENTOR對(duì)結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析，通過最大位移值(即變形)和最小安全系數(shù)(即安全度)反映結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度。分析結(jié)果見表2。

表2 3種結(jié)構(gòu)方案采用不同材料的性能對(duì)比

由表可知，材料若使用玻纖增強(qiáng)尼龍PA66+GF30，3種結(jié)構(gòu)方案的最大位移值均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過技術(shù)要求限定值，說明零件在工態(tài)下會(huì)發(fā)生很大變形，這3種結(jié)構(gòu)方案剛度都偏低；同時(shí)，方案1和方案3的最小安全系數(shù)都小于1，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度都不夠，方案2的最小安全系數(shù)雖然達(dá)到2.1，但其最大位移值在三者中也最大。相比之下，材料若使用碳纖增強(qiáng)尼龍PA66+CF30，3種結(jié)構(gòu)方案的最大位移值雖然也超過技術(shù)要求限定值，但都偏低；同時(shí)，三者的最小安全系數(shù)都大于1，說明結(jié)構(gòu)強(qiáng)度基本合格，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以進(jìn)一步提高剛度和強(qiáng)度。因此，對(duì)比之下，碳纖增強(qiáng)尼龍PA66+CF30可作為輕量化支架的首選用材。

除此之外，兩種材料下，方案2的結(jié)構(gòu)最小安全系數(shù)都大于1，且在三者中最高，表明該結(jié)構(gòu)具有較好的強(qiáng)度(安全度高)；而方案3的結(jié)構(gòu)最大位移值在三者中最小，表明該結(jié)構(gòu)具有較好的剛度(變形小)；因此可綜合兩個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，獲得安全度高、變形小的結(jié)構(gòu)，即采用圓錐形管體、管體根部四周設(shè)計(jì)長(zhǎng)尺寸加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后再進(jìn)行力學(xué)分析對(duì)比。

1.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

經(jīng)過上述分析，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，采用圓錐形管體、管體根部四周設(shè)計(jì)長(zhǎng)尺寸的加強(qiáng)筋，并在管體內(nèi)壁也設(shè)置加強(qiáng)筋，得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案4和方案5。區(qū)別在于底板質(zhì)量，前者采用鏤空底板，后者采用實(shí)體底板。此外，考慮到支架前段安裝有附件，重心位于前部，為保證強(qiáng)度，在方案5的基礎(chǔ)上在管體根部四周設(shè)計(jì)雙加強(qiáng)筋的結(jié)構(gòu)，得到優(yōu)化的結(jié)構(gòu)方案6，3種優(yōu)化的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 優(yōu)化的支架結(jié)構(gòu)

對(duì)上述3種方案進(jìn)行CAE力學(xué)分析，結(jié)果見表3。可知3種結(jié)構(gòu)方案的質(zhì)量差別不大，說明方案4底板采用鏤空結(jié)構(gòu)雖然可實(shí)現(xiàn)一定的減重效果，但與實(shí)體結(jié)構(gòu)相比，減重效果并不明顯。結(jié)構(gòu)剛度方面，方案6的最大位移較小，而方案4和方案5基本一樣，但3種結(jié)構(gòu)方案的最大位移都偏高，說明三者的結(jié)構(gòu)剛度仍不能滿足要求。結(jié)構(gòu)強(qiáng)度方面，方案4最低只有1.1，而方案5和方案6的最小安全系數(shù)都達(dá)到了復(fù)合材料最低1.5的要求，表明底板采用實(shí)體結(jié)構(gòu)合適，有利于整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全度。方案4的疲勞壽命在三者中最低，僅有80萬次；方案5和方案6的一樣，但也只有100萬次,分析結(jié)果如圖4所示，3種結(jié)構(gòu)方案的最小疲勞壽命均沒有達(dá)到技術(shù)要求規(guī)定的200萬次的最低值。

表3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的CAE分析結(jié)果

綜合上述分析可知，3種結(jié)構(gòu)方案的剛度、疲勞壽命不合格。圖4顯示了結(jié)構(gòu)上壽命較低的部位，即底板(包括螺栓安裝孔)、管體根部以及管體尺寸變化大的部位，圖5顯示了結(jié)構(gòu)上容易損壞的部位(圖中箭頭所示)，與圖4分析結(jié)果一致。因此，可針對(duì)結(jié)構(gòu)的薄弱部位重新設(shè)計(jì)支架的結(jié)構(gòu)。

圖5 結(jié)構(gòu)方案的薄弱部位

1.4 結(jié)構(gòu)二次優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

通過上述分析可知，采用類似原鑄鋼材質(zhì)的支架結(jié)構(gòu)，力學(xué)分析結(jié)果較差。現(xiàn)對(duì)支架的功能重新分析設(shè)計(jì)，支架底部與車架連接，前部安裝有附件，重心、載荷都集中于前部，支架相當(dāng)于一根懸臂梁，對(duì)底部結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求較高，可適當(dāng)增大底板厚度。在上述初步設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)中，圓管體根部無一例外會(huì)出現(xiàn)損傷，且壽命較低，因此該結(jié)構(gòu)非但不能采用，而且還需要加強(qiáng)剛度和強(qiáng)度，借鑒金屬結(jié)構(gòu)件中常見的矩形梁，設(shè)計(jì)“工字鋼”形狀的“承重梁”。同時(shí)，考慮到支架結(jié)構(gòu)的整體性，將安裝擋泥板的附件一并整合到支架結(jié)構(gòu)中，采用“一體化”結(jié)構(gòu)、“一次性”成型。因此，經(jīng)過二次優(yōu)化、設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)方案7如圖6所示。

圖6 二次優(yōu)化設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)

重新設(shè)計(jì)的支架結(jié)構(gòu)與原鑄鋼材質(zhì)結(jié)構(gòu)的CAE分析結(jié)果對(duì)比見表4，可知采用方案7的結(jié)構(gòu)，最大位移比鑄鋼結(jié)構(gòu)的大，但仍在技術(shù)要求的限定范圍內(nèi)；最小安全系數(shù)2.9，也符合復(fù)合材料對(duì)零件結(jié)構(gòu)安全度的要求[6]；因此，方案7的剛度及強(qiáng)度能夠滿足支架的技術(shù)要求，最重要的是方案7的質(zhì)量?jī)H有1.91 kg，相比鑄鋼材質(zhì)的6.75 kg，實(shí)現(xiàn)減重72%的效果，達(dá)到了支架輕量化的目的。

表4 方案7和原結(jié)構(gòu)的CAE分析結(jié)果對(duì)比

2 結(jié)論

(1)輕量化支架結(jié)構(gòu)宜采用整體式一體化結(jié)構(gòu)、一次性成型；材質(zhì)上選用碳纖維增強(qiáng)尼龍PA66+CF30剛度和強(qiáng)度效果較好，可作為首選用材。

(2)通過力學(xué)分析及對(duì)比，一體化支架的承重梁結(jié)構(gòu)不宜采用圓管體形狀，采用“工字鋼”形狀則具有較好的剛度和強(qiáng)度，滿足技術(shù)要求；使用碳纖維增強(qiáng)尼龍PA66+CF30的輕量化支架相比原鑄鋼材質(zhì)的支架可實(shí)現(xiàn)減重72%的效果。