淺析鎂合金車門內(nèi)板設(shè)計(jì)開發(fā)

班正逸，金云光，唐淳

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

淺析鎂合金車門內(nèi)板設(shè)計(jì)開發(fā)

班正逸，金云光，唐淳

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心，安徽 合肥 230601）

文章依據(jù)某車型鎂合金車門內(nèi)板的設(shè)計(jì)開發(fā)過程，提出了鎂合金車門內(nèi)板設(shè)計(jì)流程及思路，總結(jié)了鎂合金車門內(nèi)板設(shè)計(jì)開發(fā)方法及要點(diǎn)，以保證鎂合金車門內(nèi)板開發(fā)的準(zhǔn)確性。

內(nèi)把手；設(shè)計(jì)開發(fā)；試驗(yàn)驗(yàn)證

引言

隨著對(duì)汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制要求的日益提高，通過改進(jìn)設(shè)計(jì)，尋找替代材料以及開發(fā)新的制造工藝等方式進(jìn)行汽車輕量化日益廣泛的應(yīng)用在目前和未來的汽車上。車門作為汽車的重要總成之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量輕量化嘗試，目前，最有代表性的是鋁合金車門內(nèi)板，已經(jīng)應(yīng)用在行業(yè)內(nèi)一些高端汽車品牌，比如奔馳，寶馬，奧迪等。通過采用鋁合金車門內(nèi)板，能夠明顯降低車門重量25%左右，達(dá)到減輕整車重量，降低油耗和廢氣排放的目的。

采用鋁合金沖壓工藝的車門內(nèi)板通常采用分塊設(shè)計(jì)，將內(nèi)板分成若干小塊，分別成型后，再采用拼接工藝，如鉚接和電弧焊將各分塊連接成一個(gè)整體內(nèi)板，采用該方法可以減小模具的噸位，但由此帶來了車門內(nèi)板需要復(fù)雜的連接工藝；用鋁合金壓鑄工藝可以解決需要將車門內(nèi)板分成若干小塊的缺點(diǎn)，但由于鋁合金流動(dòng)性差，采用整體式壓鑄不僅對(duì)模具的噸位提出了較高的要求，對(duì)于保證鑄件的質(zhì)量也有較大的難度。

鎂合金作為一種新型高性能結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能良好、減震性強(qiáng)、電磁屏蔽和抗輻射能力突出，易加工回收等諸多特點(diǎn)。相較于鋁合金，鎂合金具有更輕的可比質(zhì)量（密度為1.74g/cm3，鋁合金密度為2.7g/cm3），更好比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）和比剛度（剛度/密度）。為了實(shí)現(xiàn)車門輕量化的要求，也為了在保證車門性能的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化車門內(nèi)板的制造及裝配工藝，對(duì)某車型的車門內(nèi)板進(jìn)行鎂合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來替代傳統(tǒng)鋼板設(shè)計(jì)。

1 設(shè)計(jì)過程

1.1 設(shè)計(jì)步驟

如圖1所示，鎂合金內(nèi)板的設(shè)計(jì)步驟包含幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)，各步驟應(yīng)該遵從以下基本準(zhǔn)則：

1）幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在整個(gè)車門總成的設(shè)計(jì)中考慮，對(duì)車門總成的零部件進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，根據(jù)車門布置、搭接關(guān)系進(jìn)行車門內(nèi)板的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

2）車門內(nèi)板采用輕質(zhì)鎂合金材料，且采用整體式結(jié)構(gòu)和壓鑄工藝，集成了鉸鏈加強(qiáng)板、內(nèi)板加強(qiáng)板、鎖體加強(qiáng)板等功能；幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)車門內(nèi)板不同區(qū)域的功能和性能要求設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的厚度。

3）性能設(shè)計(jì)是指將鎂合金車門內(nèi)板裝配到車門總成中進(jìn)行性能驗(yàn)證，包括車門的NVH、剛度、強(qiáng)度、碰撞等性能。

4）性能設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)車門的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以在保證車門性能的基礎(chǔ)上，獲得優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)。

根據(jù)圖 1，鎂合金車門內(nèi)板的設(shè)計(jì)劃分為兩個(gè)階段：PhaseI和PhaseII, PhaseI包含步驟1～3，PhaseII包含步驟4～9，詳細(xì)內(nèi)容見以下闡述。

步驟 1：確定車門總成的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，為鎂合金車門內(nèi)板的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。通常，確定車門的性能目標(biāo)可以從參考車型的車門的仿真分析和試驗(yàn)中獲得，也可以查找經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和企業(yè)規(guī)范。主要性能包括參考車車門的模態(tài)、剛度、擠壓強(qiáng)度、碰撞侵入量和侵入速度等指標(biāo)。

步驟2：根據(jù)步驟1對(duì)車門的性能要求，確定鎂合金內(nèi)板的材料牌號(hào)。目前，應(yīng)用于汽車上的壓鑄鎂合金主要包含AZ和AM系列，AZ系列適用于高強(qiáng)度，低塑性部件，AM強(qiáng)度較AZ系列強(qiáng)度低些，但適用于對(duì)塑性要求較高的部件，特別是碰撞吸能件，優(yōu)先推薦采用AM系列。

步驟 3：對(duì)內(nèi)板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要采用建立車門總成的有限元模型，進(jìn)行仿真分析的方法完成，包含以下過程：

1）根據(jù)車門總成的總布置等設(shè)計(jì)要求和內(nèi)板的裝配設(shè)計(jì)要求，采用CATIA軟件建立鎂合金內(nèi)板的3D幾何表面模型，模型反映結(jié)構(gòu)的基本特征，如裝配面，安裝孔；不需要體現(xiàn)工藝孔、加強(qiáng)筋等改善特征。

2）采用CAE前處理軟件Hypermesh對(duì)包含鎂合金內(nèi)板的車門總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并基于optistruct求解器建立車門總成的有限元模型。

3）建立車門總成有限元模型的模態(tài)剛度分析工況，并將步驟1確定的車門模態(tài)、剛度性能作為有限元模型的最小目標(biāo)值，為了保證優(yōu)化效果，可以適當(dāng)放大目標(biāo)值為初始值的1.2倍左右。為了保證計(jì)算速度，剛度分析工況不考慮幾何非線性和材料非線性，采用線性靜態(tài)計(jì)算方法。

4）確定車門內(nèi)板為需要設(shè)計(jì)拓?fù)涞牟牧蠀^(qū)域，采用變密度法對(duì)車門總成進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，經(jīng)過若干次迭代計(jì)算后，獲得內(nèi)板各區(qū)域的材料分布。

5）根據(jù)獲得的鎂合金內(nèi)板的拓?fù)洳牧戏植迹?nèi)板的CATIA表面模型，并根據(jù)內(nèi)板各部分的厚度分布對(duì)內(nèi)板各部分增厚，建立內(nèi)板的3D實(shí)體模型。

步驟4：用CAE前處理軟件Hypermesh對(duì)步驟3完成拓?fù)湓O(shè)計(jì)的鎂合金車門內(nèi)板劃分網(wǎng)格，基于ABQUS/stand求解器建立車門總成的模態(tài)和剛度有限元模型，剛度有限元模型考慮零件間的接觸非線性、材料非線性和幾何非線性，基于LS-DYNA求解器建立車門的擠壓強(qiáng)度有限元模型。對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值比較，發(fā)現(xiàn)不滿足目標(biāo)的計(jì)算工況。

步驟5：參照步驟3中子步b),對(duì)步驟4中不滿足目標(biāo)的工況建立形貌/尺寸/形狀優(yōu)化的有限元模型，采用 optistruct進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得優(yōu)化的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

步驟6：參考步驟4和5的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，采用CATIA軟件對(duì)鎂合金內(nèi)板幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括局部結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

步驟7：與步驟6同步，步驟7進(jìn)行鎂合金內(nèi)板的壓鑄工藝的設(shè)計(jì)。主要包括：

1）根據(jù)壓鑄成型的材料流動(dòng)和溫度分布，進(jìn)行車門內(nèi)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證壓鑄成型材料流動(dòng)均勻、順暢，降低材料流動(dòng)的阻力。

2）壓鑄件除孔及邊緣外，都應(yīng)有圓角，以保證金屬填充時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，氣體容易排出，并可避免銳角而產(chǎn)生的壓鑄裂紋。

3）零件盡可能多的分布加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋的設(shè)置可增加零件的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)改善壓鑄的工藝性。

4）加強(qiáng)筋等特征的布置要滿足零件脫模的要求，避免無法脫模。

5）結(jié)構(gòu)無法通過模具壓鑄產(chǎn)生的特征，應(yīng)考慮后續(xù)增加機(jī)加工工序完成。

步驟8：與步驟6和7同步，步驟8進(jìn)行鎂合金內(nèi)板的連接方案設(shè)計(jì)。鎂合金熔點(diǎn)較低，無法與周圍鋼制零件間采用焊接，采用螺栓與周邊鋼制零件連接。

鎂合金內(nèi)板與周邊鋼制鈑金件直接接觸裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，所以連接位置應(yīng)當(dāng)涂抹防電化學(xué)腐蝕膠。

圖1 鎂合金車門內(nèi)板設(shè)計(jì)步驟

步驟9：參考步驟4，對(duì)詳細(xì)設(shè)計(jì)鎂合金內(nèi)板建立模態(tài)，剛度，擠壓強(qiáng)度，側(cè)面碰撞的有限元模型并進(jìn)行計(jì)算，保證鎂合金內(nèi)板的車門各項(xiàng)性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

1.2 材料選擇

材料選擇需要滿足的基本性能要求：抗拉強(qiáng)度≥220MPa，延伸率≥10%。壓鑄鎂合金通常有AM及AZ系列，AZ系列適用于高強(qiáng)度，低塑性部件；AM強(qiáng)度較AZ系列強(qiáng)度稍低，但適用于對(duì)塑性要求較高的部件，特別是碰撞吸能件，推薦采用AM系列。

圖2 AM60B&AZ91D單向準(zhǔn)靜態(tài)拉伸σ-ε曲線

1.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)湓O(shè)計(jì)要點(diǎn)：拓?fù)湓O(shè)計(jì)區(qū)域的范圍選擇背板部分，重點(diǎn)考察中間區(qū)域的厚度分布和減重孔分布；拓?fù)湓O(shè)計(jì)的約束主要包含模態(tài)、窗框剛度、扭轉(zhuǎn)剛度（上扭/下扭）、腰線剛度、下垂剛度等；

拓?fù)湓O(shè)計(jì)的約束值參考基礎(chǔ)車和設(shè)計(jì)方案值，為保證優(yōu)化效果，通常設(shè)為參考值的80%～100%，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整腰線剛度、上扭剛度、下垂剛度及下扭剛度等。

1.4 厚度設(shè)定

①鎂合金厚度約為同等剛度的鈑金厚度3倍；

②鎂合金壓鑄件的壁厚為 2～4mm為宜，最薄不能低于1.5mm，最厚不能高于6mm。材料過薄時(shí)壓鑄成型困難；過厚易產(chǎn)生縮癟、裂紋、氣泡等缺陷， 影響鑄件的強(qiáng)度。

③分區(qū)域不同厚度：包邊區(qū) 2mm(包邊空間不足時(shí)可按1.5mm設(shè)計(jì)）；線束安裝區(qū)1.5mm；加強(qiáng)筋3mm；鎖、鉸鏈、防撞梁連接區(qū)4mm。

2 仿真分析及優(yōu)化

鎂合金內(nèi)板數(shù)模需做如下表所示的性能分析項(xiàng)目，需確保分析合格方能凍結(jié)數(shù)據(jù)。

表1 仿真分析項(xiàng)目

仿真結(jié)果如圖3所示為鎂合金車門內(nèi)板相關(guān)的CAE性能分析，鎂合金車門內(nèi)板性能分析符合相關(guān)設(shè)計(jì)要求。

圖3 仿真分析結(jié)果圖示

3 結(jié)論

輕量化設(shè)計(jì)工作任重道遠(yuǎn)，而鎂合金車門內(nèi)板的應(yīng)用研究還需要更進(jìn)一步方能大批量應(yīng)用。本文分析介紹了某車型的鎂合金車門內(nèi)板，詳細(xì)闡述了鎂合金車門內(nèi)板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及步驟，并詳細(xì)介紹了鎂合金車門內(nèi)板的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。正確的設(shè)計(jì)開發(fā)方法和充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于提高鎂合金車門內(nèi)板的設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能要求有著重要作用，也是確保整車開發(fā)進(jìn)度和開發(fā)質(zhì)量不可缺少的一部分。

[1] 王延安,趙長(zhǎng)金.汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的途徑[J1.安徽科技,2013(9):44—45,46.

[2] 劉正.鎂產(chǎn)業(yè)發(fā)展瓶頸與汽車應(yīng)用需求牽引的重要作用[J].新材料產(chǎn)業(yè),2010(8):25.

[3] 沈蓮.機(jī)械工程材料[M].西安:西安交通大學(xué)出版社,2008:60-80.

Analysis of Design and Development of Door Inner Panel

Ban Zhengyi, Jin Yunguang, Tang Chun
（Center of Technology,Anhui Jianghuai Automobile Group Co.Ltd., Anhui Hefei 230601）

Base on the experience of design and development of the door inner panel with magnesium material, and experiment verification method, design solution of the door inner panel is put forward in this paper, design method and key point is summarized, in order to ensure the correctness of the inner door panel with magnesium material.

door inner panel; design and development; magnesium

U462.1

A

1671-7988(2017)22-20-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.007

班正逸，（1985-），車體設(shè)計(jì)專家，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心。

CLC NO.:U462.1

A

1671-7988(2017)22-20-03