PP-LGF40材料發動機罩結構設計與性能分析

聶根輝,謝新生,歐陽春平

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

PP-LGF40材料發動機罩結構設計與性能分析

聶根輝,謝新生,歐陽春平

(上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007)

為某車型發動機罩選用PP-LGF40材料替代傳統的鈑金材料，可實現減質量21%的目標。根據PP-LGF40材料的成型工藝，提出發動機罩外板和內板的結構設計方案，簡化了零件結構和制造工藝。通過CAE仿真分析PP-LGF40材料發動機罩的扭轉剛度、側向剛度、承重剛度、鎖鉤剛度和一階模態等各項性能指標，結果表明：PP-LGF40材料發動機罩的各項性能均能滿足目標值，驗證了PP-LGF40作為發動機罩輕量化材料方案的可行性。

發動機罩；PP-LGF40材料；結構設計；性能分析；輕量化

0 引言

由于能源與環境的壓力，輕量化是汽車工業發展的主要方向，減輕汽車自身質量是降低油耗、減少排放的有效措施之一。世界鋁業協會報告指出：汽車質量每減小10%，可降低6%～8%的油耗，減少13%的CO2排放[1-2]。汽車車身質量占整車質量的30%～40%，因此車身的輕量化是汽車輕量化的主體內容[3]。實現車身輕量化主要有兩個途徑：(1)設計更合理的車身結構，對車身零部件的結構和工藝進行優化，達到減輕汽車質量的目的；(2)大量使用輕量化材料。通過使用輕質、高強度的材料實現車身大幅減質量是最有效最直接的手段[4]。

目前常用的輕量化材料主要有高強鋼、輕質合金、復合材料等。高強鋼與傳統的低碳鋼相比，厚度可減薄10%，車身質量減少20%～30%[5-6]，但高強鋼多用于車身結構件，不應用于發動機罩等車門覆蓋件。輕質合金中鋁合金材料的成型和制造工藝也較為成熟，可應用于車門覆蓋件。相比于傳統低碳鋼板，采用鋁合金板可減少質量30%～40%，但鋁合金較高的生產成本是制約其廣泛應用的主要因素[7-8]。復合材料作為輕量化材料越來越多地應用于車門覆蓋件，不僅可以減輕車身質量，還能降低生產成本。

PP材料作為復合材料多應用于汽車前后保險杠、車門內飾板等零件，在車門覆蓋件上應用較少。綜合材料性能和生產成本的因素，為某車型選用了PP-LGF40作為輕量化材料應用于發動機罩，并且針對發動機罩的受力特點，研究了PP-LGF40材料發動機罩的結構方案和機械性能。

1 PP-LGF40材料發動機罩總體設計方案

1.1 傳統發動機罩結構

傳統的發動機罩采用低碳鋼板材為材料，發動機罩主要由發動機罩外板、發動機罩內板、鉸鏈加強板和鎖加強板組成。發動機罩內、外板和加強板通過電阻點焊、涂膠、包邊的方式連接結合成發動機罩總成，發動機罩總成再通過鉸鏈與車身連接，如圖1所示。

圖1 傳統發動機罩結構

1.2 PP-LGF40材料發動機罩結構

PP-LGF40材料發動機罩總成由發動機罩外板和內板組成，均采用料厚3.0 mm材料，內、外板通過材料熔融和緊固件方式連接。PP-LGF40材料的發動機罩內、外板之間不需要鉸鏈加強板、鎖加強板等結構件，發動機罩總成也不需要鉸鏈與車身連接，而是通過其自身結構實現與車身的連接，發動機罩總成形成一個獨立的可拆卸結構，不需要發動機罩撐桿支撐，如圖2和圖3所示。

圖2 PP-LGF40材料發動機罩外板和內板

圖3 PP-LGF40材料發動機罩結構及連接方式

與傳統發動機罩相比，PP-LGF40材料發動機罩大大簡化了零件結構和制造工藝。

1.3 PP-LGF40材料發動機罩輕量化效果

通過對比PP-LGF40材料發動機罩與傳統的低碳鋼發動機罩，PP-LGF40材料發動機罩由于在材料及結構上的簡化，可減質量1.08 kg，減質量比例達21%，如表1所示。

表1 PP材料發動機罩與傳統的低碳鋼發動機罩重量對比

2 PP-LGF40材料發動機罩的機械性能分析

采用UG軟件建立發動機罩總成零件三維CAD模型，然后通過數據交換將零件模型導入有限元分析軟件HyperMesh中，對發動機罩總成的扭轉剛度、側向剛度、承重剛度、鎖鉤剛度、一階模態進行CAE分析。

2.1 扭轉剛度分析

約束方式：單點約束(Single-point Constraint,SPC)車身側鉸鏈6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開鉸鏈間的旋轉自由度；約束右側緩沖塊Z向平移自由度，SPC=3。

圖4 扭轉剛度約束條件和加載工況

加載條件：左側緩沖塊對應發動機罩外板50 mm×50 mm區域加載-Z向分布力F=100 N，如圖4所示。

在常溫23 ℃條件下，發動機罩總成的扭轉剛度為位移15.9 mm，如圖5所示。

圖5 扭轉剛度分析結果

2.2 側向剛度分析

約束方式：單點約束車身側鉸鏈6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開鉸鏈間的旋轉自由度；工況加載點約束Z向平移自由度，SPC=3。

加載條件：前部約束點加載Y向力F=180 N，如圖6所示。

圖6 側向剛度約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發動機罩總成的側向剛度為位移5.2 mm，如圖7所示。

圖7 側向剛度分析結果

2.3 側向剛度分析

約束方式：約束鉸鏈6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開鉸鏈間的旋轉自由度；密封面每隔100 mm約束6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6；約束兩個緩沖塊6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6。

加載條件：在發動機罩外板前部、后部及側部200 mm×400 mm的區域分別加載-Z向分布力535 N，如圖8所示。

圖8 側向剛度約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發動機罩總成在前部、后部、側部區域的承重剛度分別為位移1.5、6.9、3.8 mm，如圖9—11所示。

圖9 前部承重剛度分析結果

圖10 后部承重剛度分析結果

圖11 側部承重剛度分析結果

2.4 鎖鉤剛度分析

約束方式：約束車身側鉸鏈6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開鉸鏈間的旋轉自由度；約束兩個緩沖塊Z向平移自由度，SPC=3。

加載條件：鎖扣加載-Z向力F=196.2 N，如圖12所示。

圖12 鎖鉤剛度約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發動機罩總成的鎖鉤剛度為位移2.3 mm，如圖13所示。

圖13 鎖鉤剛度分析結果

2.5 一階模態分析

約束方式：約束鉸鏈6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放開鉸鏈間的旋轉自由度；約束鎖鉤Y向和Z向的平移自由度，SPC=2、3；密封面每隔100 mm約束6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6；約束兩個緩沖塊6個自由度，SPC=1、2、3、4、5、6。

加載條件：計算至100 Hz，如圖14所示。

圖14 一階模態約束條件和加載工況

在常溫23 ℃條件下，發動機罩總成的一階模態為63.1 Hz，如圖15所示。

圖15 一階模態分析結果

綜合以上分析結果，通過對比各分析項的目標值，發動機罩總成的扭轉剛度、側向剛度、承重剛度、鎖鉤剛度、一階模態均滿足目標設定要求，如表2所示。分析結果也驗證了PP-LGF40材料方案的可行性。

表2 PP材料發動機罩總成各機械性能CAE分析結果

3 總結

(1)相對其他常用的輕量化材料，提出選用PP-LGF40作為替代傳統低碳鋼板材發動機罩的輕量化材料。

(2)提出PP-LGF40材料發動機罩總成的結構設計方案，簡化了零件結構和制造工藝，相比傳統發動機罩，實現了減質量21%的目標。

(3)提出PP-LGF40材料發動機罩總成的CAE分析方法和機械性能分析目標值，并且通過分析對比目標值，驗證了PP-LGF40作為發動機罩輕量化材料方案的可行性，同時也為車身其他零部件的輕量化提供了參考數據和方案。

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Structure Design and Performance Analysis of PP-LGF40 Engine Hood

NIE Genhui, XIE Xinsheng, OUYANG Chunping

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007,China)

The traditional sheet metal was replaced by PP-LGF40 on the engine hood of an automobile, which could reduce the weight as a rate of 21%. Depending on the molding process of PP-LGF40, the structure design solutions of the hood outer and inner panel were put forward, then the part structure and manufacturing process were simplified. The torsion stiffness, lateral stiffness, load-bearing stiffness, latch stiffness and the first-order modal of PP-LGF40 engine hood were analyzed by using CAE simulation. The results show that performance of PP-LGF40 engine hood can meet the target values. It verifies the feasibility that PP-LGF40 is taken as a lightweight material of the engine hood.

Engine hood; PP-LGF40 material; Structure design; Performance analysis; Lightweight

2016-12-17

聶根輝(1985—)，男，碩士，工程師，主要從事汽車前后蓋設計與研究工作。E-mail：genhuinie@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.003

U463.83

B

1674-1986(2017)04-011-05