馮德勝　薛浩祥　李家強(qiáng)　張夢(mèng)雯　郭曉琴

摘 要：現(xiàn)階段，汽車行業(yè)的發(fā)展十分迅速，汽車保有量也日益增加，隨之而來的全球能源危機(jī)和環(huán)境污染也越來越嚴(yán)重，因此，汽車輕量化發(fā)展成為汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。本文采用玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯（GFRPP）復(fù)合材料代替鈑金作為風(fēng)扇罩材料，根據(jù)某國(guó)產(chǎn)汽車風(fēng)扇罩尺寸、主要裝配關(guān)系以及使用要求，在不影響性能的前提下，確定全塑汽車風(fēng)扇罩設(shè)計(jì)原則，完成汽車風(fēng)扇罩設(shè)計(jì)。利用CATIA軟件建立三維幾何模型，并參考注塑制品的設(shè)計(jì)原則及成型工藝，通過Moldflow軟件對(duì)成型過程進(jìn)行工藝分析，研究相關(guān)參數(shù)的影響。最終完成的全塑風(fēng)扇罩在滿足整車設(shè)計(jì)要求的情況下可實(shí)現(xiàn)一體注塑成型，與傳統(tǒng)鈑金風(fēng)扇罩相比減重42.5%。

關(guān)鍵詞：GFRPP復(fù)合材料 風(fēng)扇罩 輕量化 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 注塑成型

1 引言

近來，全球性的能源危機(jī)拉響警報(bào)，導(dǎo)致能源價(jià)格持續(xù)上漲。世界經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，帶來了能源緊缺以及環(huán)境污染等問題，使節(jié)約能源和綠色可持續(xù)發(fā)展倍受矚目[1-2]，也為汽車輕量化的實(shí)現(xiàn)帶來了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

根據(jù)研究結(jié)果表明，汽車車身重量每減輕10%，就可以節(jié)省燃油消耗約6%～8%，提高燃油效率可達(dá)5.5%，降低碳排放4%[3]，顯而易見，汽車輕量化技術(shù)能夠有效地通過降低燃油消耗，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保的目的。因此，推動(dòng)汽車輕量化技術(shù)發(fā)展，大力增加對(duì)汽車輕量化技術(shù)的研究，對(duì)經(jīng)濟(jì)、綠色社會(huì)的穩(wěn)步前行有著深遠(yuǎn)的歷史意義。

汽車風(fēng)扇罩是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙保護(hù)散熱風(fēng)扇、支撐線束和各種電器等重要子系統(tǒng)的零件。傳統(tǒng)汽車風(fēng)扇罩由鈑金件焊接組成，其重量較重，且工藝復(fù)雜。因此，研究風(fēng)扇罩輕量化技術(shù)既可以降低汽車重量，節(jié)約能源，降低排放，又可以簡(jiǎn)化制造工藝，減少環(huán)境污染。

汽車輕量化技術(shù)大致可以分為三種方法：結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料、加工工藝[4]。目前，輕量化效率最高、最具有潛力的方法是材料輕量化[5]。而在當(dāng)前的輕量化材料中，GFRPP復(fù)合材料是用量最大、使用頻次最高、增長(zhǎng)速度最快的品種[7-9]。

GFRPP復(fù)合材料作為汽車輕量化材料具有很多優(yōu)點(diǎn)：密度小、設(shè)計(jì)靈活、耐腐蝕、抗沖擊、抗振。不僅可以減輕汽車零部件的質(zhì)量，還可降低成本。因此，汽車風(fēng)扇罩的輕量化材料采用GFRPP復(fù)合材料具有明顯的可行性和優(yōu)點(diǎn)。李勁松[10]等以汽車水箱支架為研究對(duì)象，利用以塑代鋼方法將傳統(tǒng)鋼質(zhì)汽車水箱支架以聚丙烯/玻璃纖維材料進(jìn)行替代，不僅能滿足經(jīng)濟(jì)成本低還能實(shí)現(xiàn)輕量化，有很大的應(yīng)用前景。奉振華[11]等以汽車后背門為研究對(duì)象，采用玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料后背門代替金屬后背門，研究結(jié)果證明玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料后背門在各項(xiàng)性能均優(yōu)于金屬后背門的情況下，重量較金屬后背門減重達(dá)到25%以上。

GFRPP復(fù)合材料成型流動(dòng)性好，工業(yè)生產(chǎn)中多采用注塑成型加工工藝。利用注塑成型生產(chǎn)注塑產(chǎn)品時(shí)，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理，容易引起產(chǎn)品的各種缺陷：縮印、應(yīng)力集中、飛邊、脫模困難、孔位偏差等。為了得到合格的注塑產(chǎn)品[12-13]，我們必須在在設(shè)計(jì)過程中充分考慮結(jié)構(gòu)的工藝性。GFRPP復(fù)合材料汽車零部件的結(jié)構(gòu)除了要滿足注塑產(chǎn)品的各種工藝要求外，還要考慮其承載、裝配、公差等要求。因此從該層面上來講，以塑代鋼產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)顯得更具有研究意義。

為了滿足產(chǎn)品的性能要求并達(dá)到輕量化的目的，我們通過對(duì)GFRPP復(fù)合材料風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與研究，總結(jié)出GFRPP復(fù)合材料風(fēng)扇罩在設(shè)計(jì)過程中的關(guān)鍵參數(shù)和注意事項(xiàng)，為生產(chǎn)復(fù)合材料風(fēng)扇罩提供技術(shù)支持，同時(shí)對(duì)汽車輕量化具有指導(dǎo)意義。

2 全塑風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 全塑風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)模型

全塑風(fēng)扇罩由GFRPP復(fù)合材料通過整體注塑成型產(chǎn)生，結(jié)構(gòu)上看是由U型梁加筋結(jié)構(gòu)組成的環(huán)繞散熱風(fēng)扇并與水箱零貼的平板結(jié)構(gòu)，風(fēng)扇罩由上下風(fēng)扇罩組成，長(zhǎng)、寬、高分別為735 mm、736mm、96 mm。作為汽車散熱風(fēng)扇的保護(hù)性遮蔽零件，風(fēng)扇罩周邊零件較多，安裝環(huán)境相對(duì)復(fù)雜（如圖1）。為滿足安裝強(qiáng)度和功能要求，風(fēng)扇罩通過左右兩側(cè)四個(gè)安裝孔，用螺栓與水箱固定，上下罩通過卡扣與定位銷固定。

2.2 參數(shù)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原則

（1）裝配要求：全塑風(fēng)扇罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不但要滿足注塑成型工藝和注塑模具設(shè)計(jì)要求，還要滿足周邊零件的裝配要求。根據(jù)整車產(chǎn)品設(shè)計(jì)規(guī)范，定義風(fēng)扇罩與周邊零件運(yùn)動(dòng)間隙保證10mm，靜態(tài)間隙保證15mm；結(jié)合GB/T14486-2008《塑料模塑件尺寸公差》要求與風(fēng)扇罩功能定位，定義主定位圓孔與定位銷間隙0.2 mm，副定位長(zhǎng)圓孔與定位銷間隙0.2*1mm。

（2）形狀要求：風(fēng)扇罩為功能性遮蔽零部件，形狀盡量與散熱風(fēng)扇和水箱匹配，避免材料浪費(fèi)。由于風(fēng)扇罩與水箱安裝點(diǎn)方向?yàn)閄向，主拔模方向定為X向。上下風(fēng)扇罩之間由于安裝關(guān)系需布置卡扣和定位，會(huì)導(dǎo)致側(cè)面開孔和側(cè)面凹凸結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)需要側(cè)向的分型和抽芯機(jī)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)。

（3）壁厚設(shè)計(jì)：根據(jù)風(fēng)扇罩外形尺寸及材料選擇制定零件壁厚。一般來說，塑料零件的壁厚介于1～5 mm之間，但最佳的厚度范圍為2～3 mm。為了確保零件的完美外觀，風(fēng)扇罩主體壁厚設(shè)計(jì)為2..5 mm。

2.3 參數(shù)化建模

2.3.1 輸入周邊數(shù)據(jù)

根據(jù)需要輸入周邊數(shù)據(jù)，包括散熱風(fēng)扇、水壺、汽車水箱、線束、水管、風(fēng)門等。

2.3.2 確定拔模方向

脫模方向是注塑件從模具的型腔里脫離出來的方向。風(fēng)扇罩的安裝方向?yàn)閄向，為方便其安裝點(diǎn)和定位孔的正常出模，風(fēng)扇罩的主脫模方向定位X向。上下風(fēng)扇罩安裝需布置卡扣和安裝孔，故風(fēng)扇罩的滑塊方向定為Z向。

2.3.3 布置安裝點(diǎn)

一個(gè)剛體在空間運(yùn)動(dòng)中有6個(gè)自由度，即沿三個(gè)坐標(biāo)軸的移動(dòng)和繞著三個(gè)坐標(biāo)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)。在加工時(shí)，要使剛體的位置確定，必須要限制這6個(gè)自由度。根據(jù)零部件安裝6個(gè)自由度原則和具體的安裝空間確定風(fēng)扇罩的安裝布置，如圖2所示。

2.3.4 三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)斷面，風(fēng)扇罩的主體結(jié)構(gòu)由平板結(jié)構(gòu)構(gòu)成，如圖3所示，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，節(jié)省空間與材料。平板結(jié)構(gòu)的寬度和高度可根據(jù)空間的大小進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，平板機(jī)構(gòu)與水箱隨型，用螺栓固定，與風(fēng)扇通過翻邊留間隙配合，間隙設(shè)計(jì)為25mm，翻邊高度63.2mm。

上下風(fēng)扇罩卡接斷面，風(fēng)扇罩受安裝方向和安裝順序限制分為兩部分，分別為風(fēng)扇罩（上）和風(fēng)扇罩（下），風(fēng)扇罩上下采用卡扣結(jié)構(gòu)安裝。安裝斷面如圖4所示，風(fēng)扇罩與保險(xiǎn)杠卡接量設(shè)置為1.2 mm，干涉量設(shè)置為0.3 mm。

2.3.5 拔模并確定分型線

風(fēng)扇罩?jǐn)?shù)模進(jìn)行模具可行性分析前，首先需要確定零件的分型線（Parting line or PL）。PL是塑膠模具上下或左右模對(duì)合的縫隙線， PL的位置會(huì)影響到后續(xù)模具打開的位置，所以在零件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之初就要決定模具PL的位置，避免由于模具死角造成無法退模的問題。如圖5、6所示，風(fēng)扇罩抽芯面與上下模無干涉，符合模具設(shè)計(jì)要求。

3 成型工藝分析

3.1 網(wǎng)格劃分

風(fēng)扇罩的幾何尺寸較大、形狀復(fù)雜，包括圓角、加固筋和其他特殊元素。為了確保結(jié)構(gòu)的翹曲分析能夠準(zhǔn)確無誤地進(jìn)行，網(wǎng)格的匹配率必須達(dá)到90%以上。將風(fēng)扇罩的三維模型導(dǎo)入Moldflow軟件中進(jìn)行分析，平均縱橫比為1.84和1.77，網(wǎng)格的匹配率達(dá)到了94.2%和93.5%，網(wǎng)格質(zhì)量符合分析要求。

3.2 填充時(shí)間分析

填充時(shí)間是注塑成型過程中一個(gè)很重要的參考要素，顯示的是熔體流動(dòng)前沿的擴(kuò)展情況，它能直接反映出產(chǎn)品生產(chǎn)周期。根據(jù)注塑過程中的填充情況分析還可以幫助我們避免充填困難等現(xiàn)象。由圖7、8可知，澆注系統(tǒng)的所需填充時(shí)間為3.439 s、3.844 s，等值線過渡均勻，說明塑料熔體在型腔中的前進(jìn)速度是比較均勻的，無明顯滯流缺陷發(fā)生，填充行為較為合理。

3.3 產(chǎn)品縮水分析

縮痕大小反映出產(chǎn)品產(chǎn)生縮水缺陷產(chǎn)生的可能性，縮痕值越高，說明縮痕或縮孔出現(xiàn)的可能性就越大。如9、10所示，產(chǎn)品最大縮水在0.527 mm以下，由于產(chǎn)品為非外觀零件，此縮水對(duì)性能無影響。

3.4 翹曲變形分析

翹曲變形是注塑制品一種常見的缺陷，翹曲變形程度是評(píng)價(jià)塑料制品質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。翹曲變形分析可模擬注塑成型過程，并對(duì)成型結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)。圖 11 、12為風(fēng)扇罩翹曲變形位移分布，可以發(fā)現(xiàn)風(fēng)扇罩在上下風(fēng)扇罩對(duì)接的位置存在最大變形4.8 mm、3.7 mm，但比例較小，對(duì)風(fēng)扇罩整體精度無影響。

綜合模流分析結(jié)果表明，風(fēng)扇罩制品成型過程中各階段無不合理現(xiàn)象，風(fēng)扇罩結(jié)構(gòu)符合注塑成型工藝要求。

4 輕量化效果對(duì)比

由表1可知，在保證整車性能要求的情況下，本次設(shè)計(jì)的GFRPP復(fù)合材料風(fēng)扇罩重量從原鋼質(zhì)風(fēng)扇罩的3778 g降到了1606 g，減重42.5%，輕量化效果顯著，達(dá)到了最初的設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)與展望

汽車輕量化是汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重要方向之一，汽車材料的以塑代鋼是輕量化最直接的最有效的手段。本文基于某國(guó)產(chǎn)車型風(fēng)扇罩的設(shè)計(jì)與開發(fā)，利用CATIA參數(shù)化建模的方法完成全塑風(fēng)扇罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及Moldflow注塑工藝可行性分析，最終得到的全塑風(fēng)扇罩重量較傳統(tǒng)鋼質(zhì)風(fēng)扇罩減重42.5%。由此可見，與傳統(tǒng)鈑金零件相比，輕量化材料的使用，可以有效減輕汽車自重，提高汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性。

河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目（No.232102240 059、No.222102230057）、河南省高校重點(diǎn)科研項(xiàng)目（No.22A430040）和鄭州航院2023年校級(jí)大創(chuàng)項(xiàng)目（NO.60）的支持。

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