基于等剛度原理的碳纖維發(fā)動機(jī)罩開發(fā)

郭永奇，黃小征，王帥，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

基于等剛度原理的碳纖維發(fā)動機(jī)罩開發(fā)

郭永奇，黃小征，王帥，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

輕量化材料的應(yīng)用對于電動汽車的減重起到至關(guān)重要的作用，為了有效降低汽車覆蓋件重量，文章以某電動汽車發(fā)動機(jī)罩為研究對象，基于等剛度代換原則對已有的鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的替換，并結(jié)合有限元分析方法對設(shè)計(jì)得到的碳纖維發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行剛度分析。通過對比替換前后不同工況下的剛度值，驗(yàn)證了碳纖維材料替換的可行性，從而為碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用提供了參考方向。

輕量化材料；發(fā)動機(jī)罩；碳纖維；剛度分析

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-100-04

前言

汽車輕量化是節(jié)能減排的重要途徑，逐漸成為汽車發(fā)展方向。汽車輕量化設(shè)計(jì)一般通過輕量化材料、制作工藝以及零部件優(yōu)化等方式實(shí)現(xiàn)。碳纖維含碳量在90%以上，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，通過與樹脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，形成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維復(fù)合材料因其密度小，比剛度、比模量大，可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為汽車輕量化材料中的佼佼者。發(fā)動機(jī)罩作為車身重要部件之一，其結(jié)構(gòu)簡單，受力工況具有代表性，常作為研究分析的首選對象[1]。為了有效降低傳統(tǒng)發(fā)動機(jī)罩重量，掌握汽車輕量化技術(shù)，文章基于等剛度代換的原則，對薄壁鋼板發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料的替換，通過對比替換前后不同工況下發(fā)動機(jī)罩的剛度分析結(jié)果，驗(yàn)證了材料替換的可行性，為后續(xù)輕量化材料應(yīng)用提供了參考方向。

1 發(fā)動機(jī)罩的結(jié)構(gòu)形式

發(fā)動機(jī)罩是汽車覆蓋件的重要組成部分，具有保護(hù)發(fā)動機(jī)、隔音隔熱、空氣導(dǎo)流等作用。發(fā)動機(jī)罩通常由內(nèi)板、外板、內(nèi)部加強(qiáng)板、鎖扣和鉸鏈等組成。傳統(tǒng)汽車的發(fā)動機(jī)罩內(nèi)外板均為薄鋼板，內(nèi)外板通過翻邊壓合或粘接組合。本文進(jìn)行分析的原始鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩如圖1所示。

圖1 某電動汽車鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩

2 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩有限元分析

2.1 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩有限元建模

將鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩幾何模型導(dǎo)入HyperMesh前處理軟件中，經(jīng)過抽取中面，幾何清理及網(wǎng)格劃分等操作，其中網(wǎng)格劃分盡量采用四邊形單元，且三角形單元數(shù)不超過單元總數(shù)的5%[2]。發(fā)動機(jī)罩內(nèi)、外板采用膠粘和包邊方式進(jìn)行連接，內(nèi)部加強(qiáng)板與內(nèi)外板通過焊接方式連接，鉸鏈與內(nèi)板采用剛性連接。薄板鋼結(jié)構(gòu)材料屬性：彈性模量為210Mpa，泊松比為0.3，密度為7850kg/m3。建立的發(fā)動機(jī)罩有限元模型如圖2所示。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩有限元模型

2.2 鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩剛度分析

圖3 發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度分析有限元模型

圖4 發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度分析位移云圖

通過考察不同分析工況的剛度值來有效評估發(fā)動機(jī)罩的剛度是否合格，本文主要選取了發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、后角點(diǎn)剛度和鎖扣剛度作為發(fā)動機(jī)罩剛度分析對象。其中發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度分析有限元模型如圖3所示，約束鉸鏈與車身側(cè)安裝孔全部自由度以及鎖扣Z向自由度，在前端邊緣有轉(zhuǎn)角特征區(qū)域施加Z向載荷100N，分析結(jié)果如圖4所示。

對于發(fā)動機(jī)罩側(cè)向剛度有限元模型如圖5所示，約束鉸鏈與車身側(cè)安裝孔全部自由度以及鎖扣Z向自由度，在發(fā)動機(jī)罩鎖扣處施加Y向載荷180N，分析結(jié)果若圖6所示。

圖5 發(fā)動機(jī)罩側(cè)向剛度分析有限元模型

圖6 發(fā)動機(jī)罩側(cè)向剛度分析位移云圖

對于發(fā)動機(jī)罩后角點(diǎn)剛度有限元模型如圖7所示，約束鉸鏈與車身側(cè)安裝孔全部自由度，釋放鉸鏈軸向自由度，約束緩沖塊及鎖扣Z向自由度，在發(fā)動機(jī)罩外板后角點(diǎn)施加Z向載荷100N，分析結(jié)果若圖8所示。

圖7 發(fā)動機(jī)罩后角點(diǎn)剛度分析有限元模型

圖8 發(fā)動機(jī)罩后角點(diǎn)剛度分析位移云圖

對于發(fā)動機(jī)罩鎖扣剛度有限元模型如圖9所示，約束鉸鏈與車身側(cè)安裝孔全部自由度，釋放鉸鏈軸向自由度，約束緩沖塊Z向自由度，在發(fā)動機(jī)罩鎖扣中心處施加Z向載荷196N，分析結(jié)果若圖10所示。

圖9 發(fā)動機(jī)罩鎖扣剛度分析有限元模型

圖10 發(fā)動機(jī)罩鎖扣剛度分析位移云圖

3 碳纖維發(fā)動機(jī)罩剛度分析

3.1 等剛度近似理論

通過等剛度近似理論[3]，從而確定發(fā)罩內(nèi)外板的厚度，其中：

對于薄壁結(jié)構(gòu)而言，橫截面積的寬度，

式中：Ec為層合板的等效模量；

Ic為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)橫截面的慣性矩；

Es為原結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；

Is為原結(jié)構(gòu)橫截面的慣性矩；

hc，hs為橫截面高度，亦即厚度。根據(jù)表達(dá)式（3）可以初步確定替換材料的厚度，為了保證替換材料之后結(jié)構(gòu)的剛度，往往基于不同板件作用位置進(jìn)行厚度調(diào)整。此外，根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[4-5]，單個(gè)鈑金件剛度為厚度的非線性函數(shù)，近似關(guān)系表達(dá)為

式中：C為幾何系數(shù)；

E為彈性模量；

t為材料厚度；

λ為厚度指數(shù)系數(shù)。

根據(jù)表達(dá)式（4），材料等剛度替換前后的厚度之比，質(zhì)量之比分別為：

式中：t0、t1分別為材料替換前后的厚度；

E0、E1分別為材料替換前后的彈性模量；

m0、m1分別為材料替換前后的質(zhì)量；

ρ0、ρ1分別為材料替換前后的密度；

通過表達(dá)式（5）（6）可知，等剛度條件下材料的厚度和質(zhì)量均與彈性模量成反比。對于車身結(jié)構(gòu)，λ通常取值為1~2，幾乎很少小于1或大于3。基于上述理論可得發(fā)動機(jī)罩內(nèi)、外板進(jìn)行材料替換后的厚度值，如表1所示。內(nèi)、外板材料替換厚度指數(shù)系數(shù)分別為1.38，2.01，滿足在1~3的取值。

表1 內(nèi)、外板材料替換前后厚度對比

3.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩替換成碳纖維復(fù)合材料后，考慮到制造工藝學(xué)，各零件會進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。在連接方面，內(nèi)、外板周邊由包邊結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成膠粘結(jié)構(gòu)；鉸鏈加強(qiáng)板與內(nèi)板的連接由焊接結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成膠鉚結(jié)構(gòu)；密封條，隔音墊等隨著內(nèi)板厚度進(jìn)行安裝卡扣形式的調(diào)整。在結(jié)構(gòu)方面，內(nèi)板取消涂膠槽，加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和工藝孔結(jié)構(gòu)，優(yōu)化切邊，如圖11所示。此外，根據(jù)內(nèi)外板狀態(tài)對加強(qiáng)板重新設(shè)計(jì)優(yōu)化。

圖11 發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板結(jié)構(gòu)調(diào)整示意圖

3.3 碳纖維發(fā)動機(jī)罩有限元剛度分析

基于等剛度代換原則，對鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料的替換，同時(shí)考慮制造工藝，對發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)進(jìn)行了調(diào)整，重新建立的碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩有限元模型如圖12所示。

圖12 碳纖維發(fā)動機(jī)罩有限元模型

對于碳纖維發(fā)動機(jī)罩，考察發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、后角點(diǎn)剛度和鎖扣剛度，分析位移云圖結(jié)果如圖13~圖16所示。

圖13 碳纖維發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度分析位移云圖

圖14 碳纖維發(fā)動機(jī)罩側(cè)向剛度分析位移云圖

圖15 碳纖維發(fā)動機(jī)罩后角點(diǎn)剛度分析位移云圖

圖16 碳纖維發(fā)動機(jī)罩鎖扣剛度分析位移云圖

3.4 材料替換前后剛度分析結(jié)果對比

對碳纖維發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行與原鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩相同的剛度分析，材料替換前后剛度分析結(jié)果對比如表2所示。從表2可以看出，碳纖維發(fā)動機(jī)罩的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度和后角點(diǎn)剛度與原鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩基本一致，均有所提高。發(fā)動機(jī)罩鎖扣剛度有了大幅度提高，質(zhì)量減少46%。

表2 發(fā)動機(jī)罩材料替換前后剛度分析結(jié)果對比

4 結(jié)論

發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)簡單，易于實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的替換。在設(shè)計(jì)過程中，首先對鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行了不同工況下的剛度有限元分析?；诘葎偠却鷵Q理論對鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料的替換，通過對比不同工況下材料替換前后剛度值可知，碳纖維發(fā)動機(jī)罩的扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度和后角點(diǎn)剛度與原鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩基本一致，均有所提高。發(fā)動機(jī)罩鎖扣剛度有了大幅度提高，發(fā)動機(jī)罩內(nèi)、外板質(zhì)量減少46%。由此可以看出碳纖維復(fù)合材料在輕量化方面的巨大潛能。

[1] 韓鵬.碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D]. 吉林大學(xué),2011.

[2] 汪鳴琦,金國棟.有限元法在汽車車身骨架剛度優(yōu)化中的應(yīng)用[J].汽車技術(shù),1998.

[3] 劉鴻文.高等材料力學(xué)[M].高等教育出版社,1985.

[4] Li Fang, Patton Richard, Moghal Khurram. The relationship between weight reduction and force distribution for thin wall structures [J].Thin-walled structures, 2005, 43(4): 591-616.

[5] 陳文琳,吳洪亮,熊飛.基于等剛度原理的材料輕量化[J]. 塑性工程學(xué)報(bào). 2014(4): 117-122.

Development of Carbon Fiber Engine Hood Based on the Equal Stiffness Principle

Guo Yongqi, Huang Xiaozheng, Wang Shuai, Li Fei
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Application of lightweight materials is of vital importance for weight loss of electric vehicle, in order to reduce the weight of automobile cover panel, the paper is based on an electric vehicle engine hood as the research object, the existing steel engine hood is replaced by carbon fiber composite material based on the principle of equal stiffness substitution, and the stiffness of the designed carbon fiber hood is analyzed by combining with the finite element analysis method. According to compare the stiffness values of different conditions before and after replacement, the comparison verifies the feasibility of replacing carbon fiber material. In addition, it provides some references for the application of carbon fiber composite materials.

Lightweight materials; Engine hood; Carbon fiber; Stiffness analysis

U472 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)19-100-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.034

郭永奇，就職于華晨汽車工程研究院。