FEA分析在SMC材料汽車外飾開發中的應用

王清仙，高明

(浙江吉利控股集團有限公司，浙江杭州 311228)

FEA分析在SMC材料汽車外飾開發中的應用

王清仙，高明

(浙江吉利控股集團有限公司，浙江杭州 311228)

SMC是一種熱固性復合材料，目前越來越多地應用于汽車外飾輕量化設計中。通過重卡外飾件開發中的應用案例來闡述運用FEA有限元分析手段對SMC力學性能進行確認并合理優化產品結構的方法。

汽車；外飾；復合材料；有限元分析

0 引言

從20世紀70年代開始，原油危機迫使制造商必須找到有效降低車身質量的方式，SMC(Sheet Molding Compound)目前已成為汽車輕量化設計的理想材料。

SMC材料是聚酯或乙烯酯樹脂與短切玻璃纖維和礦物填料模壓成型而成。與常規的金屬或熱塑性非金屬材料相比，由于SMC材料制品具有輕質、高強、耐腐蝕、成本低、可大規模生產、有A級表面質量特性等優點[1]，在過去15年之中，已日漸廣泛用于高檔乘用車、商用車領域。尤其是在商用車的中重型卡車外飾件，以SMC為主導的復合材料應用尤為活躍，涉及駕駛室頂蓋、前圍面罩、導風罩角板、保險杠、翼子板、側圍護板、腳踏板、輪罩及其裝飾板、門下裝飾板、前圍裝飾罩、導流板、導流罩、側裙板等眾多部件。

目前在SMC應用到的產品領域，多數零件之前采用的是金屬材料，在由金屬材料向非金屬材料轉換的過程中，新材料在性能參數、結構形態等方面的確定尤為重要，文中將采用FEA有限元分析(Finite Element Analysis)的手段對此類產品進行分析。

1 SMC材料的物理特性簡介

玻璃纖維增強復合材料，又稱玻璃鋼，其基本性能主要取決于基體和增強材料2大組分以及它們之間的結合形式，即玻璃纖維、熱固性樹脂或熱塑性樹脂、纖維和樹脂間的界面，而對于增強材料玻璃纖維來說，其排列方式的不同是直接影響材料物理性能的關鍵因素。圖1為組成增強型復合材料的3種典型纖維物質的排列組成形式以及對應的成型工藝。

圖1 典型纖維物質的排列形式

第1種形式為單向纖維增強的玻璃鋼。這一類玻璃鋼，玻璃纖維定向排列在一個方向，它是用連續紗或單絲片鋪層的。在纖維方向上，有很高的彈性模量和強度，但在垂直纖維方向上，其強度很低。只有嚴格的單向受力情況下，才使用這類玻璃鋼。適用工藝：纏繞、手糊。

第2種形式為雙向纖維增強的玻璃鋼。這類玻璃鋼是用雙向織物鋪展的，在2個正交的纖維方向上，有較高的強度。它適用于矩形的平板或薄殼結構物。適用工藝：手糊、層壓、RTM。

第3種形式便是文中所討論的片狀模塑料(簡稱SMC)，為準各向同性的一種玻璃鋼。這類玻璃鋼是用短切纖維氈或模塑料制成的，對于SMC來說，在片材制作時，是將短切玻纖均勻拋灑在樹脂糊中而成，所以從宏觀上可以將SMC看作是一種相對意義上的各向同性的復合材料，且具備線性物理性能，其纖維體積含量一般小于40%，適用于強度、剛度要求不高或荷載不很清楚而只能要求各向同性的產品。適用工藝：SMC、注射、噴射。

2 SMC材料性能參數的測定

強度是衡量一種材料的重要性能，它通常是指單位面積所能承受的最大荷載，超過這個荷載，材料就破壞。

強度分為拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度和剪切強度等。針對SMC工藝的汽車外飾件來說，受力承載方式多為彎曲和拉伸，所以在做有限元分析時，通常只須測得這2種受力形式下的性能參數即可。

圖2是某種典型SMC片材在常溫下做拉伸和彎曲應力測試時的應力應變曲線變化圖，從曲線的走勢可以看出：材料沒有塑性變形過程，屈服強度即是極限強度；同時可以看出材料的拉伸曲線和彎曲曲線在走勢上的區別，這也反映出SMC材料的多樣性和復雜性。

3 FEA分析在SMC重卡外飾件開發過程中的應用

通過有限元分析，在重卡外飾件開發設計中可以實現零部件輕量化，驗證并提高零部件強度、剛度等性能，避免零部件共振，改進產品結構設計。

3.1 通過有限元分析實現零部件輕量化

在產品設計過程中，為了保證產品有足夠的強度和剛度，并能達到預定的性能指標，通常會根據以往的設計經驗進行保守設計，但如果安全系數設定得過大，產品強度過剩，對產品的成本無疑造成一定的負擔；同時，使得整車質量上升，無法體現復合材料取代金屬材料的質量優勢，在節能、減排方面也產生負面影響。如果采用有限元拓撲優化分析方法，便可以做到在保證產品性能達標的前提下，實現產品質量最輕化的目標。

具體實現這個目標的過程如下：先根據產品的型面、邊界、固定點以及具體的受力承載方式構建設計初步的加強結構；然后，用CAE軟件對初始3D模型進行有關剛度、強度及模態方面的分析計算；接下來根據計算的結果對原始模型進行拓撲優化，采用削強補弱的基本方法修改數據；然后對優化后的結構模型重新進行計算分析，比較拓撲優化前后結構的性能指標，分析拓撲優化方案的合理性。經過反復幾輪優化和比較后，得到最終的理想狀態。

以某款重卡車型的保險杠為例，優化前產品為5 mm均勻厚度，但根據固定點位置，結合產品的踩踏要求，對結構可以做優化調整。考慮到SMC工藝制品的特殊性，對產品厚度做了以下調整，如圖3所示：將位置1所指非受力不可見區域厚度由5 mm改為3 mm，將位置2踩踏區域厚度由5 mm改為6 mm，將位置3大燈沉臺區域厚度由5 mm改為3 mm，將其他區域厚度由5 mm改為4 mm。

經過厚度優化，產品的質量減少5.96 kg，同時，在4種踩踏要求(如圖4所示)，各處位置的應力值均控制在允許的目標值范圍(<50 MPa)，并且多數位置的應力值都比較均衡，具體數值見表1。

表1 保險杠減重前后局部應力對比表

3.2 提高產品的物理性能

在產品設計階段已經定義了產品的性能目標參數，為了驗證產品的材料、結構、工藝是否能達到預期的目標值，就需要提前通過CAE手段進行理論驗證，以減少產品在開發階段后期不斷進行修改所產生的成本風險。

以某款中型貨車的前圍面罩為例，開啟抗拉強度是面罩的性能指標中比較重要的一項，如圖5所示，具體要求為：在面罩完全固定的情況下，在中心下邊界水平施加98 N的拉力，要求面罩該處的變形量不大于6 mm。

為了分析原始數據的性能指標，應用CAE的方法進行分析驗證，先根據產品的實際裝配情況對產品數據進行約束定位，如圖6所示，然后進行材料性能參數的定義、劃分網格等一些前期準備工作，隨后通過計算機模擬計算得到產品在受力狀態下的變形情況，如圖7所示。

根據分析結果，對產品的結構進行優化改進：

優化措施一：如圖8所示，在受力位置增加橫向貫通的加強筋。優化后經過分析，變形量減少至7.33 mm。

優化措施二：如圖9所示，將斷開的凹凸造型用加強筋連接起來。優化后經過分析，變形量減少至7.15 mm。

優化措施三：如圖10所示，增加產品受力區域的厚度。優化后經過分析，變形量減少至6.61 mm。

優化措施四：如圖11所示，增加產品受力區域加強筋的高度。優化后經過分析，變形量減少至5.59 mm。

經過優化改善后，產品的變形值由8.52 mm減少至5.58 mm，提高了產品的性能，如表2所示。

表2 優化后的成果總結

3.3 避免零部件共振

通過分析產品的固有頻率，避免在車輛自身及路面反饋等激勵源的作用下發生共振，從而加速產品的損壞。

圖12為某重卡車型的后輪擋泥板總成，在實車驗證時發現擋泥板在車輛發動機怠速運轉時抖動嚴重。用有限元分析后發現，擋泥板含支架總成的自身固有頻率與發動機怠速頻率非常接近，因此發生了共振而引起的抖動。為了避開共振頻率，同時又不降低原有的產品強度，經過計算分析，發現通過將連接支架向外側移動成功地避開了怠速頻率，解決了抖動問題。

3.4 改善產品結構設計

除以上2種情況外，還可以通過有限元分析計算得出產品在受力狀態下，不同結構位置處的拉伸和彎曲內應力，從而評估該位置存在開裂、破損等潛在的失效風險，據此調整、優化產品的結構，消除產品在使用過程中潛在的質量問題。同時，在不斷的結構優化過程中，逐漸汲取教訓、總結經驗，從而形成一套完整的SMC工藝制品的結構設計規范，以便為今后的產品設計起到指導性的作用。

如圖13所示，某保險杠的踩踏區域在受力狀態下，圓角區域應力過大，有開裂的風險。經有限元分析后，增加該區域的產品厚度并加大應力集中處的圓角半徑，從而改善了產品結構，避免了踩踏開裂的風險。

4 結論

將FEA有限元計算分析與SMC材料重卡外飾件結構設計相結合，可以保證在達到產品理想強度的前提下，最大程度地實現汽車輕量化要求，優化設計方案，提升制造工藝，減少產品在批量化生產過程中產生物理性能問題的風險。

【1】李忠恒,李軍,宦勝民，等.汽車用高性能SMC復合材料[J].纖維復合材料,2009(2):27-30.

Application of FEA Analysis in Development of SMC Materials Used in Automobile Exterior

WANG Qingxian，GAO Ming
(Zhejiang Geely Holding Group Co.,Ltd., Hangzhou Zhejiang 311228,China)

SMC is a kind of thermosetting composite material, more and more applied in lightweight automotive exterior design.Taking some application cases in the development of a heavy truck exterior as examples,how to confirm the mechanical properties of SMC and how to optimize the product structure using finite element analysis method were presented.

Automobile; Exterior;Composite material;Finite element analysis

2016-04-09

王清仙(1984—)，女，碩士，工程師，現主要從事商用車車身開發工作。E-mail:qxwang1225@126.com。

U465.6

A

1674-1986(2016)06-090-04