前端框架材料選擇及力學性能分析

朱曉華 劉立濤 曹金鵬

摘 要：目前，整車企業為滿足國家節能減排，控制油耗，降低整車綜合成本的目的，開發前端模塊，降低整車重量成為一種有效的方式。前端框架（Front End Module Frame，FEM-F）作為前端模塊集成各部件的主要載體，其力學性能成為模塊開發中不可忽略的重要部分，本文主要針對材料及已開發車型的前端框架進行力學性能分析，為后續開發前端模塊打下基礎。

關鍵詞：輕量化；前端框架；力學分析

1 概述

汽車的電動化、輕量化以及智能化是當前汽車產業面臨的3個重要方向，節能、安全、環保是汽車產業發展永恒的三大主題。據預測，到2020年我國汽車將突破1.5億輛，年耗油量將突破2.5億噸。工信部乘用車百公里6.9L的第三階段油耗限值標準于2014年1月1日起全面實施，到2020年乘用車企平均油耗將降至每百公里5L，油耗標準日趨嚴苛。因此，輕量化是未來技術發展走向之一，市場影響舉足輕重。

汽車輕量化的指導思想是在確保穩定提升性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續優化車型譜，其主要途徑有3個方面，分別是：

（1）汽車主流規格車型持續優化，降低耗材用量。

（2）采用先進輕質材料。

（3）優化結構設計。

以汽車前端模塊（Front End Module，FEM）為例，其由多個部件的總成構成，包括前向照明系統、散熱器和冷卻風扇、空調冷凝器、格柵口加固板、吸撞緩沖區、帶有裝飾面板的保險杠、車前蓋鎖閉系統、雨刷噴水瓶，以及各種電子組件和線路布置等，具有組件多、重量重的缺點。對此，在前端中引入輕質材料如塑料進行減重效果明顯。然而直接采用以塑代鋼的思路和方法在實際實施過程中卻困難重重，因為塑料結構很難達到與金屬前端相同級別的剛度、強度和抗沖擊性能，難以保證前端模塊的可靠性和耐久性能。以塑代鋼必須以合理的結構設計、安裝定位方案的應用作為支撐。近年來，興起的模塊化的設計和組裝帶來了汽車前端設計新的契機，也為汽車輕量化進一步發展帶來革命性的變化。

本文針對車型LY和車型LD的前端框架進行力學研究，對前端框架設計中應達到的力學性能具有指導作用。

2 研究方法

本文首先采用CAE分析法對不同材質的前端框架進行力學性能分析，指導前端框架設計中材料的選擇問題，之后聯合國家轎車質量監督檢驗中心，在試驗環境符合GB/T 2918的情況下，針對車型LY和車型LD的前端框架進行了力學性能分析，包括機蓋鎖區強度、機蓋鎖保持力、機蓋鎖處受力、兩點變形、上部橫梁剛度、掌壓剛度、緩沖塊區域剛度、大燈支撐剛度等，為前端框架力學性能的設計提供了依據。

本文所述試驗達標基準及方法均經過與某整車廠的檢討（試驗方法如表1），對前端框架的設計具有實際意義。

3 結果分析

3.1 材料選擇

本文對兩種常見的用于車輛功能件生產的材料進行了研究：PP-LFT30（Polypropylene-30% long glass fiber）和PA6-G30（Polyamide-30% glass fiber），兩者的最高使用溫度分別為120℃和140℃，而整車中前端框架的環境溫度長期約120℃（因車型不同存在差別），因此，就使用溫度而言，PA-G30優于PP-LFT30。

兩種材料的模量隨環境溫度的變化均呈現下降的趨勢，沒有明顯的區別。而強度則呈現明顯的不同，PA-G30的強度在高溫環境中比PP-LFT30高約50 MPA，而在低溫環境中高約80 MPA。因此，PA-G30材料優于PP-LFT30。

然而，就成本而言，PP-LFT30 低于PA6-G30，就材料密度而言，PP低于PA（兩者相差約0.17g/cm3），因此PP-LFT30的輕量化效果優于PA-G30。因此在整車設計中，很多整車企業仍選用PP-GF制造前端框架。本文針對兩種PP-GF的前端框架進行力學性能研究，以指導前端框架的設計。

3.2 機蓋鎖力學性能分析

車型LY和車型LD的前端框架分別采用PP-GF30（PP-Short glass fiber，PP-30%短玻纖）和PP-LGF40（PP-Long glass fiber，PP-30%長玻纖）進行設計，對其強度進行研究，分析載荷及位移的關系，結果如圖1～4所示。

由圖，LY、LD車型的前端框架分別在載荷達到4750N和6000N，失效時間分別為14s和20s，說明隨著玻纖含量的增高，FEM-F強度增強。載荷失效時，兩者最大可承受位移分別為25mm和115mm，由失效時曲線的變化情況可知，LD車型的FEM-F可承受最大載荷約5s，而LY在負載達到峰值后迅速失效，說明長玻纖較短玻纖FEM-F具有較好強度。由兩種FEM-F實驗后的樣件狀態可以看出，LY車型的FEM-F已破裂，而LD車型未出現破裂現象，推測長玻纖的FEM-F具有較好的機蓋鎖保持力。

而LD的機蓋鎖保持力結果如圖8～9所示，由圖可知，載荷小于2000N時，機蓋鎖區位移小于20mm，而在位移20mm至140mm間，機蓋鎖區平均可承擔負載約1900N，持續時間達6.5 s，這與機蓋鎖強度的研究結果對應，說明長玻纖FEM-F具有較好的機蓋鎖保持力，在高負載下可保持較長時間的形態穩定。

3.3 上橫梁剛度

FEM-F在集成部件時，上橫梁是承擔部件的主要承載點，因此，上橫梁剛度決定著FEM-F的整體性能。對兩種FEM-F的上橫梁進行力學性能分析，包括上部橫梁點壓剛度和掌壓剛度。

LY車型的上橫梁點壓剛度較LD高約35N/mm，而掌壓剛度則低約80N/mm。這與玻纖在PP中的破壞模式有關。在施加點壓時，短玻纖由于較小面積內玻纖數量較多且連續，短玻纖增強PP呈現出較弱的剪切應力，呈現出較好的剛度，而檢測掌壓剛度時，由于施力面積較大，短玻纖在PP內呈現不連續狀態，長玻纖則呈現連續狀態，因此掌壓剛度較好。設計前端框架時，需要考慮框架上橫梁受力狀態選用合適的材料。

3.4 大燈支架剛度分析

在某些車型FEM的設計中，前大燈集成于前端模塊中，因此，前端框架的設計中需要具有承載前大燈的功能。對LD車型的FEM-F的大燈支架進行分析，支架上部剛度須達400N/mm以上方可承擔前大燈。

4 結論

（1）就性能而言，PA較PP更適宜于FEM-F；

（2）隨著玻纖含量增高，FEM-F具較好的力學性能；

（3）根據受力情況不同，可選擇不同的材料制造上橫梁，長玻纖呈現較好的掌壓剛度，短玻纖呈現較好的點壓剛度；

（4）大燈支架剛度需達到400N/mm以上。

參考文獻

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（作者單位：北京北汽模塑科技有限公司前端模塊事業部）