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发表于 2020-5-12 09:16:58 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 材料人 于 2020-5-12 09:18 编辑

碳纤维发动机盖的性能分析及试验验证

李飞,黄小征,王帅
(华晨汽车工程研究院,辽宁 沈阳 110141)
【中国汽车材料网】摘 要:文章以某SUV混动车型的发动机盖为研究对象,基于等刚度替换原则,选用碳纤维复合材料替代传统钢材料的方案,并通过CAE软件仿真分析其弯曲刚度、前角刚度以及中后部刚度性能指标。通过对碳纤维发盖样件进行弯曲刚度、前角刚度以及中后部刚度试验,计算得到实测刚度数据,并将其与仿真结果对比分析,为碳纤维材料刚度性能目标值的设定提供了实测依据,也为碳纤维复合材料在汽车零件上的应用提供了参考方向。
关键词: 发动机盖;碳纤维;CAE;试验;对比

前言

实现整车轻量化技术实现整车减重是实现节能减排的重要途径,已经逐渐成为各大车企发展的潮流,研究表明,传统燃油车整备质量每减少100kg将实现节油0.39L/100km,整备质量每降低10%,油耗可降低6%-8%,尾气排放也会下降4%。汽车轻量化设计一般通过轻量化材料、制作工艺以及结构优化等方式实现。碳纤维含碳量在90%以上,是一种力学性能优异的无机高分子材料,它通过与树脂、金属及陶瓷等基体的复合,形成增强基复合材料。碳纤维复合材料拥有密度小、比刚度、比模量大、耐高温、抗腐蚀及可设计性强等特点,因此在汽车轻量化材料中占有重要地位。预计到2030年,碳纤维复合材料将广泛应用在汽车零部件上[1]。本文基于等刚度替换原则[2],用碳纤维材料替换传统金属材质来设计发盖,结合有限元分析方法对碳纤维发动机盖进行弯曲、前角以及中后部刚度分析[3-4],并与试验数据进行对比,为碳纤维发盖刚度性能目标值的设定提供了实测依据,也为后续轻量化材料在其他汽车零部件上的应用和推广提供了参考方向。


1 碳纤维发动机盖的设计开发
1.1 等刚度替换理论

通过等刚度替换理论,从而确定发盖内外板的厚度,其中:

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7b37415c890e53cc6301d1c2b7985e4f.jpg (2)

对于薄壁结构而言,横截面积的宽度bc=bs,则:

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式中:Ec为层合板等效模量;

Ic为复合材料结构横截面的惯性矩;

Es为原结构材料的弹性模量;

Is为原结构横截面的惯性矩;

bc,bs为横截面的宽度。

hc,hs为横截面高度(或厚度)。

根据表达式(3)可以初步确定替换材料的厚度,为了保证替换材料之后结构的刚度,往往基于材料属性进行厚度调整。此外,根据参考材料[5-6],单个钣金件的刚度与厚度成非线性关系,近似关系表达为:

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式中:C为几何系数;

E为弹性模量;

t为材料厚度;

λ为厚度指数系数。

根据表达式(4),等刚度替换前后的厚度之比,质量之比分别为:

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式中:t0、t1分别为材料替换前后的厚度;

E0、E1分别为材料替换前后的弹性模量;

m0、m1分别为材料替换前后的质量;

ρ0、ρ1分别为材料替换前后的密度。

表1 内、外板材料替换前后厚度对比
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根据表达式(5)(6)可知,等刚度条件下材料的厚度和质量均与弹性模量成反比。对于车身结构件,λ通常取值为1~2,几乎很少有小于1或大于3的可能。基于上述理论可得发动机盖内、外板进行材料替换后的厚度值,如表1所示。内、外板材料替换厚度指数系数分别为1.38,2.01,满足λ在1~3的取值。


1.2 碳纤维发动机盖结构

碳纤维发动机盖的内外板采用碳纤维复合材料,内部加强件仍然采用钢制材料。考虑到复材成型的工艺问题,钢结构零部件会进行相应的简化和调整。在结构方面,内板取消涂胶槽、加强筋和工艺孔结构,并优化切边,如图1所示(图中的涂胶槽、加强筋、工艺孔和切边,显示的是优化前传统发盖的结构特征)。在连接方面,内、外板周边由包边结构转换成胶粘结构;铰链加强板与内板的连接由焊接结构改成胶铆结构。此外,内部加强板根据内外板状态重新进行设计优化。

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图1 发动机盖内板结构优化示意图


1.3 碳纤维发动机盖轻量化效果

碳纤维发动机盖由于在材料、结构和工艺上进行了简化处理,能够减质量8.221kg,减重比例达47%,如表2所示。

表2 碳纤维发动机盖减重效果
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2 碳纤维发动机盖结构性能分析

将碳纤维发盖的3D数据导入到HyperMesh软件中,对模型进行抽取中面和几何清理后,再进行网格划分处理,并建立局部坐标系,然后参照某公司研究院的分析标准,分别对发动机盖进行弯曲刚度、前角刚度、中后部刚度的CAE分析。

2.1 建立局部坐标系
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图2 建立局部坐标系示意图

取锁钩中心点,左右两个铰链安装点的中心点及左侧铰链安装点三个点建立局部坐标系。在该局部坐标系中,z方向为铰链轴方向,以上三点所确定的平面法线方向为y轴正方向,如图2所示。

2.2 弯曲刚度分析

约束条件:对铰链与车身安装孔进行全约束,同时约束左右缓冲块Y向自由度。

载荷条件:在发动机盖锁扣节点号(9)处施加Y向300N载荷,方向垂直于纸面向外,如图3所示。

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图3 弯曲刚度约束条件和载荷工况

由HyperView后处理软件可知,发动机盖总成的锁扣点Y向位移为1.072mm,如图4所示,因此,发动机盖的弯曲刚度为279.9N/mm。

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图4 弯曲刚度分析结果

2.3 前角刚度分析

约束条件:对铰链与车身安装孔进行全约束,同时约束锁扣处1、2、3平动自由度,以及约束右侧缓冲块Y向平动自由度。

载荷条件:在左侧缓冲块节点号(11)处施加Y向100N的载荷,方向垂直于纸面向里(为了与试验方向一致,由于做试验时挂钩不好放,故选择伺服电动缸向上顶),如图5所示。

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图5 前角刚度约束条件和载荷工况

由HyperView后处理软件可知,发动机盖左侧缓冲块Y向位移为0.7813mm,如图6所示。因此,发动机盖的前角刚度为127.9N/mm。

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图6 前角刚度分析结果

2.4 中后部刚度分析

约束条件:对铰链与车身安装孔进行全约束;约束锁扣处1、2、3平动自由度;约束左右侧缓冲块Y向平动自由度。

载荷条件:在发盖中后部节点号(10410),处施加Y向100N载荷,方向垂直于纸面向里(为了与试验方向一致,由于试验时该位置没有通孔,故选择伺服电动缸向上顶),如图7所示。

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图7 中后部刚度约束条件和载荷工况

由HyperView后处理软件可知,发动机盖总成中后部刚度Y向位移为0.2483mm,如图8所示。因此,发动机盖的中后部刚度为402.7N/mm。

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图8 中后部刚度分析结果

3 碳纤维发动机盖试验验证

在自动加载开闭件刚度试验台上,利用伺服电动缸、砝码、挂钩以及马尔千分表等试验仪器,按照台架试验委托单中的试验要求,分别对某SUV混动车型的发动机盖进行弯曲刚度、前角刚度、中后部刚度的刚度试验。

3.1 发盖无铰链弯曲刚度试验

用千分表监测发盖内板锁加载点处附近、左右前缓冲支撑点及左右铰链板约束点的位移变化情况,同时在锁点处加载300N力值,测量各表位移变化量并记录相应数据,试验布置如图9所示。

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图9 发盖弯曲刚度试验布置示意图

3.2 发盖无铰链前角刚度试验

用千分表分别监测发盖内板前部左右缓冲点、中部锁钩支撑点及左右铰链约束点的位移变化情况,同时左缓冲点施加100N推力,测量各表位移变化量并记录相应数据,试验布置如图10所示。

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图10 发盖前角试验布置示意图

3.3 发盖无铰链中后部刚度试验

用千分表监测发盖内板中后部加载点、左右前支撑、中部锁钩支撑点及左右铰链约束点的位移变化情况,同时在中后部处加载100N推力,测量各表位移变化量并记录相应数据,试验布置如图11所示。

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图11 发盖中后部刚度试验布置示意图

综上所述,获得碳纤维发盖的刚度试验结果如表3所示。

表3 碳纤维发盖刚度试验结果
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4 仿真与试验结果对比

将先前的仿真分析结果与实测结果对比分析,如表4所示。

表4 仿真与试验对比结果
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从表4可知,仿真值会稍高于试验值,原因分析:1)由于材质、成型工艺水平的限制,试验碳纤维发盖的各项性能可能达不到理想标准;2)实验过程中尽管使用相关设备约束了各约束点,也可能会产生微小的移动,同时也会受一些环境温度的影响。


5 结论

本文以某混动车型的发动机盖为研究对象,基于等刚度替换原则用碳纤维材料替换传统金属材料,通过CAE软件分析其弯曲刚度、前角刚度以及中后部刚度性能指标,并在自动加载开闭件刚度试验台上对碳纤维发盖样件进行了相对应的刚度试验。从仿真与试验数据的对比结果可知,由于材料本身属性和试验条件的限制导致了仿真值会稍高于试验值,同时获得了碳纤维刚度的性能目标值,为碳纤维复合材料在其他汽车零部件上的应用和推广提供了参考方向。


参考文献

[1] B.克莱恩.轻量化设计[M].第8版,北京:机械工业出版社,2010:1-8.

[2] 刘鸿文.高等材料力学[M].北京:高等教育出版社, 1985:70-79.

[3] 兰凤崇.庄良飘.钟阳.乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践[J].北京:汽车工程,2010:763-768.

[4] 聂根辉.谢新生.欧阳春平. PP-LGF40材料发动机罩结构设计与性能分析[J].研究与开发,2017(4):11-15.

[5] 陈文琳.吴洪亮.熊飞.基于等刚度原理的材料轻量化[J].北京:塑性工程学报, 2014:117-122.

[6] Li Fang, Patton Richard, Moghal Khurram. The relationship between weight reduction and force distribution for thin wall structures[J]. Thin-walled structures, 2005: 591-616.


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