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[车身轻量化] 基于性能要求的汽车尾门轻量化设计研究

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发表于 2020-3-25 12:07:04 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】基于性能要求的汽车尾门轻量化设计研究
王俊峰,陈美玉,王峻峰
(华晨汽车工程研究院,辽宁 沈阳 110141)
摘 要:文章以某车型的尾门为研究对象,基于等性能原则,将传统钢材质的尾门内外板替换为塑料材质,并对其结构进行设计更改,利用Hypermesh软件对塑料尾门的性能进行有限元仿真分析,在实现刚度等性能目标的同时实现尾门的轻量化设计,最终尾门实现减重37%。
关键词:尾门;塑料;刚度;轻量化
前言

随着全球汽车保有量的不断增多,全球能源危机和环境污染日益严重,因此对汽车节能减排的要求也不断提高。据统计,汽车重量每减轻10%,油耗可降低6%-8%,尾气排放可下降4%。汽车轻量化是汽车节能减排的重要措施,也是当代汽车发展的必然趋势。汽车轻量化设计主要有2 种方式:(1)设计更加合理的结构,从而避免过设计;(2)采用新材料替换原有传统材料,通常采用铝合金镁合金复合材料等轻型材料或高强度钢替代普通低碳钢提高性能,减轻重量[1]。

二种方式中轻量化效果最为明显的为第二种,同时也是最具有挑战的一种,必须在改变零部件材料的同时满足刚度性能指标。因此本文以某车型尾门为研究对象,将钢材质的尾门内外板替换为塑料材质,在保证刚度满足性能目标的前提下,实现尾门的减重。

1 塑料尾门的设计开发1.1 传统钢材质尾门总成结构

尾门总成由尾门外板与内板焊接总成构成(图1),外板与内板焊接总成通过包边工艺实现连接,尾门内板总成由内板与加强件通过点焊构成。尾门外板材质为B170P1,板厚为0.7mm;尾门内板材质为DC06,板厚为0.6mm。

1.2 塑料尾门设计

对于尾门设计来说,不论是传统钢材料尾门还是塑料材质尾门,其性能要求都是一样的,例如刚度、模态和耐久等性能。对于塑料尾门,如何满足刚度性能,往往是塑料尾门设计的难点。

[size=0.8em]图1 钢材质尾门总成结构图

1.2.1塑料尾门内、外板材质确定

目前市场上配置塑料尾门的车型,尾门外板材料均为PP热塑性材料,尾门内板根据选用的成型工艺不同,往往选择热塑性材料的PP+LGF或热固性材料SMC[2]。本尾门轻量化方案中,尾门外板采用PP+EPDM+TD20材料,尾门内板采用PP-LGF40-0455材料,尾门加强件的材料与原钢结构加强件材质相同。尾门内、外板及加强件的材料技术参数见表1。

[size=0.8em]表1 材料技术参数表

1.2.2塑料尾门内、外板厚度确定

在以往的设计中,将传统钢板冲压零件替换为低密度合金板材冲压件时,替换后的板材厚度可以通过等刚度替换理论的下式(1)计算得出。

(1)

式中:

Ep为层合板等效模量;

Es为原结构材料的弹性模量;

hp,hs为横截面高度(或厚度)[3]。

若基于等刚度替换理论确定塑料尾门内、外板的厚度,这样计算得出的内外板厚度会很厚,无法满足注塑工艺要求。因此,等刚度替换理论不适合塑料尾门设计,塑料尾门内外板厚度确定应以注塑工艺要求为基准确定。选择料厚时需考虑注塑模具压力,外板表面抗凹性及浇口布置等因素,通常塑料尾门内外板要满足注塑工艺要求,主体厚度需设计在3mm以下。结合竞品车测量数据,最终选定塑料尾门外板主体厚度为3mm,尾门内板主体厚度为2.5mm。

1.2.3塑料尾门结构设计

在塑料尾门设计时,如不考虑车型配置分色要求,尾门可以设计为集成扰流板、左右侧饰板、牌照灯饰板及部分内饰。由于原车型后扰流板及左右侧饰板与尾门本体分色不同,综合考虑成型工艺因素,仅将牌照灯饰板与尾门外板集成一体(图2)。尾门内板与尾门加强件采用螺钉紧固连接(图3),尾门外板与尾门内板采用聚氨酯胶粘合连接,聚氨酯胶技术参数为:弹性模量5MPa、泊松比 0.393(23度)、密度1.26g/ml。

[size=0.8em]图2 尾门外板方案图

[size=0.8em]图3 尾门内板总成结构图

2 尾门刚度性能分析2.1 塑料尾门有限元模型的建立

将塑料尾门几何模型导入Hypermesh前处理软件中,经过抽取中面,几何清理及网格划分等操作,其中网格划分尽量采用四边形单元,且三角形单元数不超过单元总数的5%。尾门模型主要包括内板、外板及加强板等。建立局部坐标系:取尾门锁点与铰链轴建立局部坐标系。在该局部坐标系中,x’方向为铰链轴方向,y’方向为铰链轴与锁点确定平面的法线方向。

2.2 性能分析标准

2.2.1尾门弯曲刚度分析

约束条件见图4,载荷工况:在尾门锁点处施加y’向300N的载荷。

[size=0.8em]图4 弯曲刚度约束条件和载荷工况

2.2.2尾门双侧扭转刚度分析

约束条件见图5,载荷工况:在尾门两侧缓冲块位置沿y’方向施加240Nm扭矩。

[size=0.8em]图5 双侧扭转刚度约束条件和载荷工况

2.2.3尾门单侧扭转刚度分析

约束条件见图6,载荷工况:在尾门左侧缓冲块位置施加y’向100N的载荷。

[size=0.8em]图6 单侧扭转刚度约束条件和载荷工况

2.2.4尾门中部刚度分析

约束条件见图7,载荷工况:在尾门中部缓冲块位置施加y’向100N的载荷。

[size=0.8em]图7 中部刚度约束条件和载荷工况

2.2.5尾门角刚度分析

约束条件见图8,载荷工况:在尾门下部缓冲块位置施加y’向100N的载荷。

[size=0.8em]图8 角刚度约束条件和载荷工况

2.3 性能分析对比

依据2.2节分析标准对塑料尾门的弯曲刚度、双侧扭转刚度、单侧扭转刚度、中部刚度、角刚度进行分析,各工况下的位移云图如图9~13所示,刚度分析结果见表2。通过分析比对可知,塑料尾门刚度性能均满足设计目标要求。

[size=0.8em]图9 尾门弯曲刚度分析位移云图

[size=0.8em]图10 尾门双侧扭转刚度分析位移云图

[size=0.8em]图11 尾门单侧扭转刚度分析位移云图

[size=0.8em]图12 尾门中部刚度分析位移云图

[size=0.8em]图13 尾门角刚度分析位移云图

[size=0.8em]表2 塑料尾门刚度分析结果对比

3 轻量化效果分析

为得到塑料尾门减重效果,将塑料尾门与原钢材质尾门模型进行比较(见表3),通过数据对比可知塑料尾门相比钢材质尾门约减重37%。

[size=0.8em]表3 轻量化效果分析对比

4 总结

文章以满足刚度性能要求为目标来进行尾门轻量化设计,将传统的钢材质尾门用塑料材质来替换,并对尾门结构进行设计更改,通过对各工况下尾门的刚度进行有限元仿真分析,在尾门刚度性能达到目标的同时,实现尾门的轻量化设计。


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