聚丙烯／玻璃纖維汽車水箱支架結構分析及其性能試驗

張小敏，李勁松，李 美，梅 燁，林 健

（海南大學機電工程學院，海南海口570228）

聚丙烯／玻璃纖維汽車水箱支架結構分析及其性能試驗

張小敏，李勁松，李 美，梅 燁，林 健

（海南大學機電工程學院，海南海口570228）

以某汽車配件廠生產的聚丙烯（PP）／玻璃纖維（GF）水箱支架為例，一方面利用Catia軟件對其三維建模并導入到Ansys軟件中模擬仿真分析得出應力云圖，理論分析得出其剛度和強度符合要求；另一方面通過一系列的性能試驗，例如沖擊強度試驗、旋轉扭矩測試、耐候性試驗、拔出力試驗、老化試驗等。結果表明，該水箱支架的性能不僅能滿足使用要求而且還能實現輕量化，提高經濟性能。

聚丙烯；玻璃纖維；汽車水箱支架；輕量化；性能試驗

0 前言

隨著國內外汽車產業的迅猛發展和汽車保有量的逐年上升，汽車在國民生活和經濟中也扮演著一個日趨重要的角色。由于能源危機這個尖銳的世界難題越來越突出，節能減排已成為當今汽車問題的主旋律。一方面，政府和相關汽車研發部門大力研發推進新能源技術，通過普及混合動力汽車和純電動汽車來促進節能減排；另一方面在技術方面著重在汽車輕量化上做文章，研發新材料和采用新工藝使得汽車自重減少。而實現汽車輕量化的途徑首先是汽車結構優化設計，其次是輕量化材料的應用，最后是先進制造工藝能使得汽車構件輕量化［1］。

以汽車水箱支架為例，傳統水箱支架是安裝汽車水箱的托架，它起到對水箱的支撐和緩沖的作用，傳統的汽車水箱支架是由傳統材料（鋼材、鋁材、合金等）制造而成。如今輕量化技術的快速發展使得鋁、鎂合金在汽車上的應用量快速增長。鋁、鎂等合金材料因其密度相對鋼鐵較低、強度相對較高的特點在汽車零部件中大量應用，成為如今汽車構件材料中的主導。但是隨著塑料工業的發展與進步，塑料制品也日益普及并廣泛應用于汽車零部件中，大部分的汽車內飾件均選用塑料等復合材料［2］。采用PP／GF復合材料代替傳統材料生產，不僅能夠降低車身質量以滿足車身輕量化的需要，更能夠提高成品要求高精度裝配的可靠性，同時可以降低產品成本，提升產品的經濟性能。本文以海口某汽車公司生產的與海馬BA01汽車車型匹配的汽車水箱支架為例，為驗證PP／GF復合材料在汽車水箱支架中的應用，利用理論分析和試驗驗證相結合的研究方法，在經過計算機輔助工程（CAE）理論分析后通過試驗驗證PP／GF汽車水箱支架能完全替代傳統金屬汽車水箱支架，實現低成本和輕量化。

1 汽車水箱支架材料分析

傳統材料生產水箱支架時，多應用復雜的焊接工藝，在滿足產品精度的要求下，生產效率不高；而使用GF塑料生產，則應用一次注射成型工藝，不僅提高了生產效率、產品精度，還提高了產品品質。PP材料一般作為通用塑料使用，因為自身性能缺陷，在結構材料中的應用受到一定程度的局限，但是在PP材料中加入GF增強之后，這種復合材料除了能保持PP原有的優良性能之外，在強度、剛度等性能上都比PP提高很多，同時具有良好的耐熱性、低溫沖擊性、防腐耐電弧性及低收縮率等。隨著加入GF比例越高，性能提高越明顯，當加入GF的質量分數為40%時性能達到最高值［3］。而GF比例的繼續增加會導致復合材料共混困難，GF分散不均，生產制品時材料流動性差，最終導致材料性能變差及生產工藝困難。復合材料中GF的含量、GF的長度對整體材料的強度、剛度、耐熱及耐老化等都有很大影響［4］。因此選用PP／GF復合材料作為汽車水箱支架的材料相對合適。

目前，國內汽車水箱支架主要用傳統的鋼材或鋁合金材料制作，能夠將高分子材料制作的水箱支架在汽車上應用的公司為數不多。某些汽車公司如一汽大眾、比亞迪等已經開始應用高分子材料制作水箱支架，技術也將日趨成熟。

2 汽車水箱支架結構分析

2．1 三維建模

三維建模是進行CAE仿真的關鍵準備步驟，為了生動、直觀地對汽車水箱支架進行靜態力學分析和Ansys有限元分析，通過Catia軟件對汽車水箱支架進行三維建模得出清晰的三維結構示意圖。在滿足簡化原則的前提下，根據二維裝配圖結合實物建立如圖1所示的水箱支架三維簡化模型。

圖1 水箱支架三維簡化模型Fig．1 3Dsimplified model of the water tank support

2．2 Ansys軟件分析

有限元的分析方法其實是一種求解微分方程的數值計算方法，其基本原理就是將求解對象劃分為一系列的微型單元即有限大小的單元。單元之間通過節點連接，每一單元即是一整體，通過虛功原理、最小勢能原理以及變分原理等分析求解［5］。

（1）導入模型

將Catia軟件中建立的汽車水箱支架三維模型導入到Ansys軟件中并定義材料為PP／GF，材料的彈性模量為3000MPa、泊松比為0．4、密度為1．2× 106kg／m3。

（2）網格劃分

以三維四面體網格方式進行網格劃分，網格單元大小為10．2mm，得到共計123578個單元，對有限元模型進行檢查，無失敗單元。

（3）施加約束與載荷

根據產品工作狀況對模型施加約束與載荷，安裝孔處施加銷釘約束，在支架橫梁支撐面施加類水箱自重載荷作用，最后在Z軸負方向上模擬重力加速度。

（4）求解應力云圖

圖2 汽車水箱支架馮氏應力云圖Fig．2 Stress nephogram of the water tank support

如圖2所示，通過云圖顯示其最大應力為2．277MPa，出現在一對縱梁處的腹板內側安裝孔附近，遠小于PP／GF的屈服強度（60MPa）。最小值出現在一對橫梁處，最小應力為2．1864×10－5MPa。分析云圖發現出現響應應力集中的部位可能是由于在模型構建過程中，為了后續便于網格的劃分，將該部位附近以及下橫梁承重面部位的倒角給去除所造成的，實際值應遠低于該值，理論結果顯示該材料完全滿足實際應用中所需要求。

3 實驗部分

3．1 研究對象

PP／30%GF汽車水箱支架，海口市鈞達汽車股份有限公司。

3．2 主要設備及儀器落球沖擊試驗機，YJ－03，東莞勇杰儀器有限公司；數字式扭力扳手，SNB50，東莞市塘廈快捷量具廠；

恒溫橫濕試驗機，KTHG－415THS，慶聲科技股份有限公司；

老化試驗機，QUV－Spray，翁開爾公司。

3．3 性能測試

根據一汽海馬汽車有限公司標準Q／HMAC 101．103－240—2005分別進行沖擊強度試驗、旋轉扭矩試驗、耐候性試驗、拔出力試驗、老化試驗等。沖擊強度試驗后觀察樣品變形、開裂、發白情況，旋轉扭矩試驗和拔出力試驗后觀察螺母響應情況，耐候性試驗和老化試驗后觀察汽車水箱支架的結構響應情況。

（1）沖擊強度測試：沖擊質量為3．8kg的小球從沖擊高度為75mm處自由落體；

（2）旋轉扭矩測試：用扭力扳手在螺母上施加11．0N·m以上的力矩，螺母無轉動；

（3）短期耐熱性測試：①80℃駐留時間5h，②25℃駐留時間2h，以上2個步驟為1個循環，共2個循環；

（4）長期耐熱性測試：①72℃駐留時間16h，②72℃變化到25℃（變化時間5min），以上2個步驟為1個循環，共2個循環；

（5）耐低溫性外觀測試：－40℃駐留時間4h；

（6）耐低溫性沖擊測試：－30℃駐留時間4h并用1．5kg落球從30cm高度處沖擊樣品表面；

（7）耐熱沖擊性測試：①－30℃駐留時間2h，②25℃駐留時間0．5h，③80℃駐留時間2h，④25℃駐留時間0．5h，以上4個步驟為1個循環，共5次循環；

（8）老化測試：在光源條件為UVA－340，輻照度條件為0．89W／（m2·nm），黑板溫度為（60±3）℃下輻照暴露8h和黑板溫度為（50±3）℃下輻照冷凝暴露4 h，測試時間共300h；

（9）拔出力測試：用240N的力反面壓螺母（也同時等于正面的拔出力），螺母不松脫，無異常；

（10）耐化學性測試：用沾有汽車座位清潔劑的棉花，在試樣表面輕輕摩擦8次，放置1h。

表1 試驗測試結果Tab．1 Result of the test

3．4 測試結果

試驗結果列于表1。選用以PP／30%GF為主要材料的汽車水箱支架，一方面在保證剛度與強度要求的前提下提升汽車水箱支架的沖擊韌性，另一方面在考慮其性能的同時顧忌其注塑工藝的高效性，即材料的共混性和流動性，最終選擇GF含量為30%，低于最優配比（PP／40%GF）進行制造，通過注塑機一次注塑而成。通過落球沖擊試驗機測試其沖擊強度，和企業標準對照顯示水箱支架能完全滿足實際工況下的強度需求。旋轉扭矩試驗中根據試驗標準，水箱支架各點能承受12．5N·m的扭矩，滿足企業標準和實際需求。拔出力試驗中各點施加250N的力時，螺母未松脫，顯示其拉伸強度滿足企業標準和實際需求。一系列的耐候性、腐蝕性試驗顯示水箱支架老化性和抗腐蝕性滿足企業標準。

4 結論

（1）Ansys軟件仿真試驗結果顯示最大應力為2．277MPa，出現在一對縱梁處的腹板內側安裝孔附近，最小值出現在一對橫梁處，最小應力為2．1864×10－5MPa，均遠小于PP／30%GF材料的屈服強度；

（2）PP／30%GF復合材料應用于汽車水箱支架中不僅能滿足剛度和強度要求還能滿足一般試驗要求和實際需求。

［1］范子杰，桂良進，蘇瑞意 ．汽車輕量化技術的研究與進展［J］．汽車安全與節能學報，2014，（1）：1－16．Fan Zijie，Gui Liangjin，Su Ruiyi．The Research and De－velopment of Auto Lightweight Technology［J］．Journal of Auto Safety and Energy，2014，（1）：1－16．

［2］張蔭楠 ．汽車輕量化之路：復合材料的機遇與挑戰［J］．紡織導報，2016，（5）：40，42－47．Zhang Yinnan．Channel of Lightweight Automobile：Opportunities and Challenges of Composites［J］．Textile Review，2016，（5）：40，42－47．

［3］曾 彪，劉玉飛，王 寧，等．玻璃纖維增強聚丙烯復合材料力學性能的研究進展［J］．上海塑料，2015，（2）：11－16．Zeng Biao，Liu Yufei，Wang Ning，et al．Advances in Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composites［J］．Shanghai Plastics，2015，（2）：11－16．

［4］李敬媛，李又兵，史 文，等 ．聚丙烯／玻璃纖維復合材料增強與增韌改性研究［J］．中國塑料，2013，27（12）：47－51．Li Jingyuan，Li Youbing，Shi Wen，et al．Reinforcement and Toughness of PP／GF Composites［J］．China Plastics，2013，27（12）：47－51．

［5］劉 浩．ANSYS 15．0有限元分析從入門到精通［M］．北京：機械工業出版社，2014：73－82．

國家塑料制品質量監督檢驗中心（北京）

國家塑料制品質量監督檢驗中心（北京），前身是1979年組建的輕工業部科學研究院塑化室檢測室，1983年由聯合國工發組織援建，同年由原輕工業部批準為“全國塑料制品標準化檢測中心”，1990年獲得國家技術監督局的計量認證和審查認可，被授權為“國家塑料制品質量監督檢驗中心（北京）”。

中心的資質：

（1）由國家質量監督檢驗檢疫總局依法授權，具有法定權威性和第三方公正性；

（2）中心具有中國合格評定國家認可委的實驗室認可證書、中國國家認證認可監督管理委員會的資質認定授權證書和計量認證證書、歐洲DIN－CERTCO的實驗室認可證書；

（3）中心是國際標準化組織ISO／TC138和ISO／TC61／SC10，SC11的技術對口單位，承擔著全國塑料制品標準化技術委員會秘書處的工作，與國內外權威的標準化及檢驗機構有著廣泛的交往。

中心提供的服務：

（1）國家塑料產品質量監督抽查檢驗、產品質量爭議仲裁檢驗；

（2）各職能部門或地方政府的委托檢驗、社會各界的委托檢驗和測試；

（3）塑料產品生產許可證發放的產品質量考核檢驗和日常監督檢驗；

（4）新材料和新產品的鑒定檢驗；

（5）承擔或參與塑料產品的國家標準、行業標準的制、修訂工作。

地址：北京阜成路11號

郵編：100048

電話：010－68985371，68985380

Structure Analysis and Performance Test of Auto Water Tank Supports Based on Polypropylene／Glass Fiber Composites

ZHANG Xiaomin，LI Jinsong，LI Mei，MEI Ye，LIN Jian
（College of Mechanical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China）

This paper reported a case study on structure analysis and performance test for a water tank support based on polypropylene／glass fiber composites．A 3Dmodel was first established with Catia software and then a simulation analysis was carried out with Ansys software to obtain the stress cloud．Rigidity and strength obtained from this model were in accordance with the requirements of theoretical analysis．On the other hand，a series of performance measurements were performed，which included impact，rotation torque，weathering，pull－out and aging tests．The results indicated that not only the performance of auto water tank supports met the requirements，but it also achieved a lightweight nature for a cost－effective demand．

polypropylene；glass fiber；auto tank support；lightweight；performance measurement

TQ325．1＋4

B

1001－9278（2017）07－0095－04

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．016

2017－02－20

海南省自然科學基金（20155212）；海南大學2017年度教育教學改革研究課題（hdjy1711）

聯系人，1207449173＠qq．com