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[车身轻量化] 超轻玻纤复合材料后背门轻量化研究

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发表于 2020-8-26 17:05:22 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】超轻玻纤复合材料后背门轻量化研究
奉振华
长城汽车有限公司 河北省保定市 071000
摘 要: 超轻玻纤复合材料作为一种超轻A级表面材料,与金属相比,具有比强度高和比模量高,灵活的设计自由度等优点。本文以汽车后背门为研究对象,在保证目标性能的前提下,采用自由尺寸和拓扑优化方法,优化后的玻纤复合材料后背门各向性能均优于金属后背门,且减重达到25%以上。
关键词: 超轻玻纤复合材料;后背门;轻量化研究

1 引言
据汽车工业不完全统计,汽车整备质量每降低10%,燃油效率能提高6%-8%。对应欧盟的CO2排放指标,汽车的整备质量每降低100kg,CO2排放降低10g/km,因此,汽车轻量化具有重大意义。与金属相比,超轻玻纤复合材料的密度为1.24g/cm3,是普通钢的1/6,是铝合金的1/2。其比强度接近镁合金,但成本远低于镁合金,比强度高于其他金属材料。因此,超轻玻纤复合材料是汽车轻量化的最佳选择之一。
后背门是汽车的重要组成部分,不仅应满足开启装载货物的功能,而且要达到A级表面的外观质量要求。现有的后背门由内板,外板,加强板和铰链等组成,均为钣金冲压结构,厚度在0.65-0.8mm之间。本文后背门内板采用高强度玻纤复合材料[1],外板采用超轻的A级表面玻纤复合材料,内外板采用胶粘连接。通用自由尺寸和拓扑优化方法,优化内板和外板的结构和厚度分布,经CAE分析各项指标均满足性能要求,与钣金后背门相比减重效果非常明显。

2 汽车后背门的性能指标
为了后续比对分析方便,本文选取某品牌纯电动汽车(简写为Car)后背门作为建模研究对象,该对象的基本参数如下:(1)刚度。侧向刚度≥40n/mm,弯曲刚度≥30n/mm。(2)抗凹性。使用直径80mm的圆盘作为实验工具,向外板任意区域施加400N的压力后,汽车外板形变≤10mm。(3)振动与声振粗糙度(英文简写为NVH)。NVH≥30Hz。(4)后背门质量。Car的后背门质量设定为16.8kg。基于Car的基本性能指标讨论尺寸优化、自由尺寸优化和铺层次序优化策略的效果。

3 汽车复合材料后背门优化策略
为了确保在不降低汽车后背门整体性能、不影响乘车人舒适度的前提下进行后背门质量(单位kg)的合理缩减,选用OptiStruct软件建模分析复合材料后背门模态频率、刚度和抗凹性等重要参数并生成模拟图。在开展优化分析之前需要重点关注复合材料后背门的优化原则,基于这些优化原则确保模拟优化分析工作顺利进行。
(1)平衡对称性:汽车复合材料后背门应当以均衡对称形式为主,均衡对称是最为常见且稳定的一种对称形式,能够最大限度避免层合板因为翘曲变形影响汽车安全性。
(2)铺层顺序。在满足减重效果的同时不能影响到汽车原有性能,一般情况下整体铺层数量应当控制在4层以下,层数过多会影响减重效果。
(3)铺层角度控制。铺层方向不宜过多过乱,一般取45°的整数倍。

3.1 超轻玻纤复合材料后背门自由尺寸优化
为了后续描述方便,本文需要预先给出“超级铺层”的概念:所谓“超级铺层”是指将多个单一铺层(一般厚度为0.5mm)在同一个方向进行叠加,并通过粘合、固定、捆绑等手段将多个单一铺层组装成一个整体,这个整体就可以被看做一个“超级铺层”。整个后背门自由尺寸优化过程可以概括为三步:(1)设计变量优化。主要优化“超级铺层”厚度以及所含的单个铺层数量。(2)设计约束优化。内外板体积分数≤0.3,弯曲工况施加载荷点位移≤1.02mm,扭转工况施加载荷点位移≤2.4mm,侧向工况施加载荷点位移≤3.23mm,见图1。

3.2 超轻玻纤复合材料后铺层次序优化
超轻玻纤复合材料后铺层次序优化铺层次序优化过程可以描述为:(1)设计变量优化。后背门内板9层铺层次序;后背门外板10层铺层次序;内外板设置为对称铺层(2)设计约束优化。后背门内外板的外表面为正负45°铺层;后背门内外板的外表面最多允许3层角度相同的连续铺层。(3)设计目标优化。设加权柔度=F(弯曲工况、扭转工况、侧向工况),要求加权柔度取得最小值。

图1 自由尺寸优化效果图
图2 后背门轻量化优化结果

3.3 超轻玻纤复合材料尺寸优化
超轻玻纤复合材料后铺层次序优化铺层次序优化过程可以描述为:(1)设计变量优化。适当降低单个形状铺层块厚度。(2)设计约束优化。弯曲工况施加载荷点位移≤1.03mm,侧向工况施加载荷点≤3.22mm,扭转工况施加载荷点位移≤2.41mm,复合材料应力F满足-60Mpa≤F≤60Mpa。经过尺寸优化后,超轻玻纤维后背门的刚度性能得到明显提升。

4 结果对比分析
根据模态优化结果可知,钣金尾门的第一阶扭转模态为30.5Hz(见结果1),复合材料尾门的第一阶扭转模态为33Hz(见结果2),均满足NVH的目标要求。钣金尾门的侧向刚度为40.2N/mm,复合材料尾门的侧向刚度为50.6N/mm, 均满足刚度目标要求。钣金尾门的弯曲刚度为31.2N/mm,复合材料尾门的弯曲刚度为35.9N/mm,均满足刚度目标要求。钣金尾门的最大变形为10.27mm(见结果3),最大应力为265.7Mpa,位移不能满足性能要求,且局部有永久变形;而复合材料尾门最大变形为9.3mm(见结果4),满足性能要求。复合材料的最大应力只有50.8Mpa,无永久变形,抗凹性能远优于钣金尾门。

5 结论
本文对钣金后背门和玻纤复合材料后背门进行对比分析[2],采用先进的轻量化优化方法和复合材料灵活的设计自由度优势,在满足NVH、侧向刚度、弯曲刚度和抗凹性的各向性能指标的前提下,与钣金后背门相比重量减少了4.2kg,减重效果达25%以上。因此,超纤复合材料是汽车轻量化的发展的最佳选择之一。


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