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[复合材料] 基于碰撞安全的复合材料尾门设计

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发表于 2021-7-26 11:24:34 | 显示全部楼层 |阅读模式
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【汽车材料网】基于碰撞安全的复合材料尾门设计

刘晶,解维杰,彭丹,张静
(上汽通用五菱汽车股份有限公司,广西柳州 545007)
摘要:由于环保和节能的需要,汽车轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。介绍了复合材料的优缺点,并将复合材料应用到汽车尾门,通过材料选型、结构设计以及碰撞安全的CAE仿真分析,设计出后部碰撞性能与传统钣金尾门性能相当的复合材料尾门,最终轻量化比例达到35.3%。
关键词:复合材料尾门;碰撞安全;轻量化
0 引言

研究资料表明,汽车整备质量每减少10%,油耗就可以节省6%~8%,汽车整备质量每减少100 kg,百公里油耗可降低0.3~0.6 L,与此同时,汽车整备质量的减小还会减少大气中二氧化碳的排放量,以及氮化物、硫化物等有害物质的排放。因此,汽车轻量化已成为汽车工业发展的方向之一,是提高汽车的燃油经济性、减少排放的重要技术途径。汽车轻量化技术是在满足汽车使用性能和成本控制的条件下,轻量化结构优化、轻量化材料运用与轻量化加工制造的综合应用技术[1-2]。

随着汽车制造技术向模块化、集成化、轻量化的发展,汽车复合材料尾门,成为各大汽车制造商车身部件模块化的重要方向。目前传统尾门采用散件装配的形式,主要包括内外板落料、冲压、包边和焊接,随白车身电泳、涂装,最后总装线装配高位刹车灯、尾灯、牌照灯、玻璃、扰流板、线束、锁扣、内饰板、LOGO等部件;复合材料尾门可将外板和扰流板集成,内板和部分内饰板集成设计,装配其他零部件,实现模块化供货,单台车辆尾门总装时间最高可节省约1 000 s。

复合材料(Composite Materials),是由两种或两种以上不同性质的材料,通过物理或化学的方法,在宏观上组成具有新性能的材料。塑料复合材料具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、易成形从而降低了复杂零件的加工难度,塑料基的复合材料可设计性强,耐冲击并可绝热、不导电,因此,是汽车轻量化的重要材料。目前塑料复合材料主要应用在汽车内、外饰等装饰件上,但是近年来塑料复合材料正由内、外饰等装饰件向结构件发展,以减轻汽车结构件的质量[3]。将塑料复合材料应用于汽车尾门,凸显出的优势有:(1)减重:复合材料尾门比金属尾门减重25%~35%,为5~7 kg,提升燃油经济性;(2)高度集成化:整体注塑成型,大幅减少零部件数量,省去焊接、节省装配等费用,减少装配工具,节约场地,进一步降低成本;(3)宽泛设计自由度:设计自由度更高,可实现金属钣金件难以成形的形状,造型美观,有利于空气动力学优化;(4)开关门的轻快性:随着轻量化,车门开关的轻快性加强,开关门的声音也随之减轻;(5)低模具成本:模具减少 ,具有更低的模具投入及更低模具维护维修费用;(6)轻微碰撞的低维修费:具备一定的弹性,低速碰撞时可复原,降低了维修概率,节省了维修成本;(7)质量稳定:稳定的部件质量,注塑产品相对于钣金焊接质量更稳定,可达到注塑机的一级表面;(8)其他优势:有更好的隔热,隔音、电绝缘性、化学耐腐蚀性。


1 尾门的组成

汽车尾门结构作为汽车车身中独立的系统总成,一般由尾门本体、尾门附件及尾门内外饰三大部分组成,传统尾门和复合材料尾门主要零件组成对比见表1。尾门示意图如图1所示。

表1 传统尾门和复合材料尾门组成对比

图1 尾门示意


2 结构设计2.1 材料的选取

基于环保和造型自由度的考虑,文中的汽车尾门外板采用PP-T20,内板采用PP-LGF40,内外板采用结构胶进行连接,材料性能见表2。

表2 复合材料尾门材料信息


2.2 厚度选择

由于塑料材料本身的特性,选择注塑工艺进行加工,选择料厚时需综合考虑外板表面抗凹性、注塑模具压力、浇口布置等因素;而且尾门内板还是主要受力结构,尾门玻璃、尾门锁、气弹簧等安装在尾门内板上,厚度选择需要考虑强度以及刚度的要求。文中的尾门内、外板主料厚为2.8 mm,局部加强区域以及部分加强筋厚度为3 mm。


2.3 局部加强方案

因为PP-LGF40材料的弹性模量只有钢的1/39,强度较差,局部承受扭矩较大区域需增加金属加强板进行加强。

(1)尾门运动时主要依靠气撑杆来支撑,需加强尾门两侧的强度以及增加金属加强板进行局部加强,将铰链加强板与气弹簧支撑板连成一体,并嵌入模具进行嵌件注塑工艺成型;

(2)尾门限位块区域承受较大关门冲击力,应安装钣金支架来承受冲击,避免塑料件被冲破;

(3)后门锁安装点增加金属加强板进行加强。


3 碰撞安全性能分析3.1 后碰法规

碰撞装置为一刚性的钢制结构,表面为平面,宽度不小于2 500 mm,高度不小于800 mm,其棱边圆角半径为40~50 mm,表面装有厚为20 mm的胶合板,碰撞装置如图2所示。

图2 碰撞装置

3.1.1 移动壁障的放置

移动壁障的碰撞表面应铅垂,并垂直于被撞车辆纵向中心平面;移动壁障移动方向应水平,并平行于被撞车辆的纵向中心平面;碰撞表面的中垂线和被撞车辆的纵向中心平面间的横向偏差不大于300 mm,并且碰撞表面的宽度应超过被撞车辆的宽度;碰撞表面下边缘离地高度为(175±25)mm。

3.1.2 移动壁障的速度和质量

根据法规要求,移动壁障的碰撞速度为(50±2)km/h,移动壁障的总质量为(1 100±20)kg。

3.1.3 主要考察指标

(1)在碰撞过程中,燃油装置不应发生液体泄漏;

(2)碰撞试验后,燃油装置若有液体连续泄漏,则在碰撞后前5 min平均泄漏速率不应大于30 g/min;

(3)不应引起燃料的燃烧;

(4)在碰撞过程中和碰撞试验后,蓄电池应由保护装置保持自己的位置[4]。


3.2 后碰分析

3.2.1 后碰仿真模型建模

(1)网格划分:单元基本尺寸取10 mm,最小单元尺寸为3 mm,注意检查自由边、自由节点、单元法向和重复单元等质量问题,布置在车辆后端的燃油系统相关部件进行详细建模,包含油箱本体、碳罐总成、燃油管总成;

(2)赋材料属性:根据材料属性清单进行赋予;

(3)调穿透与干涉:检查干涉与穿透,并进行调整,直至无穿透,干涉厚度小于0.1 mm;

(4)连接:模型各部件之间的连接严格按照实物之间的连接关系,分别采用螺栓、铰链、胶接、点焊和缝焊来接,其中螺栓连接用Patch模拟,黏胶和点焊用实体单元模拟,焊缝用RigidBody模拟;

(5)接触:主要是焊点接触、黏胶接触、自接触、面面接触等,整车的自接触采用*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE,这种接触是基于罚函数理论,通过检查从部件集合与主部件集合的接触情况,通过罚力来阻止从属部件的节点穿透到主部件单元中;焊点接触采用*CONTACT_SPOTWELD;黏胶解除采用*CONTACT_NODE_TO_SURFACE;

(6)加载:按照法规要求正确摆放壁障,设置碰撞速度(50±2)km/h;

(7)卡片输出:设置计算时间、时间步长等参数,为了便于后续结果分析,需输出碰撞中的应力和应变;

(8)截面力输出:用刚性截面XSectionplane来测量通过传力路径上的截面力,输出截面力的目的是为了在后处理时可以得出车身各部位传力大小;

(9)模型的检查和计算:基于Hypermesh中Dyna模块的Dyna Error Check功能,对模型进行检查,模型检查结果有两种,第一种是Warning,第二种是Error,Error需要调试和改正,Warning一般不导致Dyna计算异常终止,但是不排除报错,所以可以在完成Dyna Error Check调试之后,还需要结合Dyna计算软件的Message文件来调试模型,使用Ls-dyna 6.1提交计算,由于模型较大,尽量采用Ncpu较大的计算机,并且设置Memory大于500 m来计算。

后碰分析模型如图3所示。

图3 后碰分析模型

3.2.2 分析结果

(1)在Hyperview中提取结果文件,d3plot文件以查看碰撞动画,并仔细查看撞击过程,查看是否发生异常或有零件未连接,如果发生,需调整模型后重新计算。通过Glstat文件检查能量曲线,重点关注动能、内能、沙漏能、接触能和总能量,各能量曲线如图4所示,能量变化正常。

图4 能量曲线

(2)整车变形如图5所示,未出现恶劣变形,整车结构均满足要求。

图5 整车变形

(3)应保证电池包在后碰过程中及后碰完成后与其他部件之间的距离,不与其他部件发生接触,电池包及安装支架的应变应小于0.2,考虑安全裕度,应变需小于0.1。分析结果如图6所示,其中钢制尾门中电池包及其安装支架最大应变0.091,复合材料尾门中电池包及其安装支架最大应变0.094,均满足要求。

图6 电池包及其安装支架应变

(4)分别提取钢制尾门和塑料尾门的车身加速度,如图7所示,两次仿真加速度基本一致。

图7 车身加速度

(5)分别对钢制尾门和塑料尾门进行后碰分析,主要针对尾门变形、应变进行考察对比,分析结果如图8和图9所示,其中钢制尾门最大应变0.132,复合材料尾门最大应变0.675;钢制尾门最大变形量165.9 mm,复合材料尾门最大变形量140.6 mm。

图8 尾门应变

图9 尾门变形量

(6)复合材料尾门应变较大,碰撞过程中失效风险较大,针对此问题进行尾门结构优化,将门肚结构设计成V型以及采用W型筋条,优化后的仿真结果如图10和图11所示,复合材料尾门最大应变0.128,最大变形量169.7 mm,满足要求。

图10 优化后尾门应变

图11 优化后尾门变形量


4 结束语

采用PP-T20和PP-LGF40材料的尾门与钢制尾门在后碰方面的性能相当,但是质量减轻了2.585 kg,减重比例达到35.3%,同时零件数量由15个减为6个,节约总装工时1 000 s。

受限于进口的原材料以及生产工艺,尽管复合材料尾门模具相对于传统钣金件尾门的模具成本要低,但是采用复合材料的成本为传统钣金件的3~5倍,导致尾门总成相比于钣金件尾门成本高。随着生产工艺的优化以及原材料的国产化,复合材料尾门的成本将会逐步降低,未来复合材料尾门将会大规模应用[5]。



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