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发表于 2020-6-11 10:54:20 | 显示全部楼层 |阅读模式

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某SUV车型塑料尾门的设计开发

李飞,王帅,郭永奇

(华晨汽车工程研究院,辽宁 沈阳 110141)

【中国汽车材料网】摘 要:以塑代钢是实现轻量化的重要手段之一,文章以某款SUV车身尾门为研究对象,在保证基本性能的前提下进行塑料尾门设计。以竞品车型尾门性能为设计目标,通过有限元分析方法进行塑料尾门的性能分析,并通过结构优化设计来满足不同工况需求。根据设计方案试制了塑料尾门样件,对其分别进行了自由模态、刚度和抗凹试验,结果表明塑料尾门样件各项性能满足要求,从而为塑料尾门的开发利用提供参考方向。
关键词:以塑代钢;轻量化;塑料尾门;优化设计

前言
随着能源危机和环境污染加剧,汽车轻量化逐步成为汽车工业节能减排的重要途径之一。汽车尾门作为车身闭合件系统的重要组成部分,承担着开启关闭及封闭的功能。传统尾门主要采用钢材,由于钢材具有高密度使得整车重量增加。以塑代钢技术是车身轻量化的重要手段,主要是采用低密度的塑料复合材料代替金属应用在汽车零部件中,在保证各项基本性能的前提下,实现车身轻量化。
国内外对汽车塑料尾门进行了大量的研究。
本文以某SUV车身尾门为研究对象,在保证基本性能的通过有限元分析方法指导塑料尾门设计,根据设计方案试制了塑料尾门样件,对其分别进行了自由模态、刚度和抗凹试验,结果表明塑料尾门样件各项性能满足要求。

1 塑料尾门的有限元分析
1.1 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,内外板之间采用粘接形式,加强板与内板之间采用螺接形式。其中,尾门内板材料采用PPGF30-0455,外板采用PP-TD20,加强板采用钢材,各材料参数如表1所示。
表1 各材料参数表

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根据竞品车型内、外板厚度来设定研发塑料尾门内外板的厚度,通过实际量取可知,竞品内外板厚度均在2.5~3.0mm之间。故定义研发车型塑料尾门的内外板厚度≤3.0mm。所建立的有限元模型如图1所示。
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图1 塑料尾门的有限元模型


1.2 塑料尾门自由模态分析
塑料尾门主要模态的分析结果对应的模态振型图如图2~图3所示。
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图2 一阶扭转模态(计算值:26.86Hz)


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图3 一阶弯曲模态(计算值:47.91 Hz)


1.3 塑料尾门刚度分析
通过考察不同分析工况的刚度值来有效评估塑料尾门的刚度是否合格,本文主要选取了塑料尾门弯曲刚度、双侧扭转刚度、单侧扭转刚度、中部刚度和角刚度作为塑料尾门刚度分析对象。其中塑料尾门弯曲刚度分析有限元模型如图4所示,无安装铰链,约束与铰链安装点的全部自由度及底部两侧缓冲块Y’方向自由度,其中X’向为铰链轴方向,Y’向为垂直于铰链轴与锁点所在平面,在锁点处施加沿Y’方向载荷300N,分析结果如图5所示。
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图4 塑料尾门弯曲刚度分析有限元模型


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图5 塑料尾门弯曲刚度分析位移云图


对于塑料尾门双侧扭转刚度有限元模型如图6所示,约束与铰链安装点的全部自由度及锁点Y’方向自由度,在底部两侧缓冲块位置沿Y’方向施加240Nm扭矩,分析结果如图7所示。
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图6 塑料尾门双侧扭转刚度分析有限元模型


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图7 塑料尾门双侧扭转刚度分析位移云图


对于塑料尾门单侧扭转刚度有限元模型如图8所示,约束与铰链安装点的全部自由度及底部右侧缓冲块Y’方向自由度,在底部左侧缓冲块位置施加沿Y’方向载荷100N,分析结果如图9所示。
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图8 塑料尾门单侧扭转刚度分析有限元模型


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图9 塑料尾门单侧扭转刚度分析位移云图


对于塑料尾门中部刚度有限元模型如图10所示,约束与铰链安装点的全部自由度、锁点X’Y’方向自由度、底部左侧缓冲块Y’方向和中部右侧缓冲块Y’方向,在中部左侧缓冲块位置施加沿Y’方向载荷100N,分析结果如图11所示。
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图10 塑料尾门中部刚度分析有限元模型


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图11 塑料尾门中部刚度分析位移云图


对于塑料尾门角刚度有限元模型如图12所示,约束与铰链安装点的全部自由度、锁点X’Y’方向自由度及底部右侧缓冲块Y’方向,在底部左侧缓冲块位置施加沿Y’方向载荷100N,分析结果如图13所示。
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图12 塑料尾门角刚度分析有限元模型


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图13 塑料尾门角刚度分析位移云图


综上,塑料尾门的自由模态和刚度性能与竞品车型尾门性能对比如表2所示。
表2 塑料尾门自由模态和刚度性能与目标对比

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通过塑料尾门的自由模态和刚度性能与竞品车型尾门性能对比可知,所设计的塑料尾门只有自由模态一阶弯曲值满足目标值,其他性能均不满足目标值。

2 塑料尾门的结构优化及对比
2.1 塑料尾门的结构优化
为了使塑料尾门的各项性能达到目标值,满足使用要求,通过以下三方面进行塑料尾门优化:
(1)更换塑料尾门内板的材料,即内板材料由PPGF30- 0455改为PPGF40-0455,提高了弹性模量,从而改善其刚度性能,PPGF40-0455的材料参数:E=6510Mpa,μ=0.35,ρ=1.22E-9t/mm3。
(2)由于塑料尾门外板受车身造型的影响不易更改,通过内板添加加强筋的方法来提高整个塑料尾门的刚度特性。
(3)通过中部刚度分析发现其不满足目标值,通过提高中部加强板厚度来提高其局部刚度,加强板厚度由1.5mm改为2.0mm。
2.2 优化后结构性能对比
对优化后的塑料尾门重新建模,通过CAE分析,得到的自由模态分析和刚度分析结果如图14~图20所示。
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图14 优化后自由状态一阶扭转模态(29.32Hz)


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图15 优化后自由状态一阶弯曲模态(50.86Hz)


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图16 塑料尾门优化后弯曲刚度分析位移云图


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图17 塑料尾门优化后双侧扭转刚度分析位移云图


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图18 塑料尾门优化后单侧扭转刚度分析位移云图


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图19 塑料尾门优化后中部刚度分析位移云图


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图20 塑料尾门优化后角刚度分析位移云图


与目标值对比结果如表3所示,通过对比可以发现,塑料尾门优化后自由模态与刚度分析结果均满足目标值。
表3 塑料尾门优化后自由模态与刚度分析结果

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3 塑料尾门样件的试验验证
3.1 塑料尾门模态试验
首先利用橡皮软绳将塑料尾门悬吊起来,使其处于自由状态,如图21所示。采用力锤对塑料尾门施加脉冲激振力,通过加速度传感器采集塑料尾门各测点X、Y、Z三个方向的振动加速度信号。利用LMS数据采集系统将采集的激振力和加速度信号进行处理,通过模态辨识可得到塑料尾门各阶自由模态参数。
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图21 塑料尾门自由模态试验现场图


塑料尾门仿真与试验结果对比如表4所示,通过对比可以发现,塑料尾门的自由状态下一阶扭转和一阶弯曲的仿真结果与试验结果吻合较好,并且固有频率的仿真计算值与试验值基本一致。试验所得的塑料尾门一阶扭转和一阶弯曲结果如图22,图23所示。
表4 自由模态频率试验与仿真结果对比

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图22 一阶扭转模态振型


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图23 一阶弯曲模态振型


3.2 塑料尾门刚度试验
在自动加载开闭件刚度试验台上对塑料尾门进行弯曲刚度、双侧扭转刚度、单侧扭转刚度、中部刚度和角刚度试验,试验示意图如图24所示。根据不同工况加载不同载荷,在约束点和加载点处分别打千分表,每种工况进行5次加载卸载,测量各点处位移值取平均值。
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图24 塑料尾门刚度试验示意图


塑料尾门刚度仿真与试验结果对比如表5所示,通过对比可以发现,只有单侧扭转工况下仿真刚度值与试验刚度值相差较小。试验刚度值与目标值相比,扭转刚度满足目标值,其他工况均不满足。弯曲刚度试验由于锁点加载位置难以保证,导致试验结果的不准确;中部刚度和角钢度试验值不满足目标值,有待于后续的设计再优化。
表5 刚度分析试验与仿真结果对比

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3.3 塑料尾门抗凹试验
将尾门固定在相应试验台架上并约束好,在尾门上选好的4点(试验布置点)打表,分别进行150N、250N、450N力加载测试。其中,表针与加载力的方向相同,测试结果如表6所示。
通过试验数据可知:(1)抗凹测点在150N、250N工况下,残余变形量应小于0.1mm,测点2与测点3在该工况下的残余变形量超出标准要求,其余各测点满足要求;(2)抗凹测点在450N加载工况下位移值应小于10mm,测点3超出标准要求,其余各测点满足要求;(3)抗凹测点在450N工况下的残余变形量应小于0.7mm,所有测点均满足要求。
表6 尾门各测点抗凹试验数据

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4 结论
以塑代钢是轻量化发展的必然趋势,尾门是车身闭合件的重要组成部件之一,为了提高其轻量化,本文以竞品车型尾门各项性能为目标值来进行塑料尾门的开发设计。通过有限元分析方法进行尾门的性能分析,并通过更改内板材料,增加内板加强筋,提高加强板厚度等方法进行塑料尾门的优化设计,对比优化前后塑料尾门的自由模态及刚度值,发现各项性能满足目标值。之后试制了塑料尾门试件,通过模态试验、刚度试验和抗凹试验发现,塑料尾门模态基本满足要求;刚度试验由于试验加载条件的限制导致误差较大,为了确保刚度目标需要后续进一步设计优化;抗凹试验各点处变形量基本满足要求。

参考文献
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