碳纖維發(fā)動機蓋的性能分析及試驗驗證

李飛，黃小征，王帥

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碳纖維發(fā)動機蓋的性能分析及試驗驗證

李飛，黃小征，王帥

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章以某SUV混動車型的發(fā)動機蓋為研究對象，基于等剛度替換原則，選用碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼材料的方案，并通過CAE軟件仿真分析其彎曲剛度、前角剛度以及中后部剛度性能指標(biāo)。通過對碳纖維發(fā)蓋樣件進行彎曲剛度、前角剛度以及中后部剛度試驗，計算得到實測剛度數(shù)據(jù)，并將其與仿真結(jié)果對比分析，為碳纖維材料剛度性能目標(biāo)值的設(shè)定提供了實測依據(jù)，也為碳纖維復(fù)合材料在汽車零件上的應(yīng)用提供了參考方向。

發(fā)動機蓋；碳纖維；CAE；試驗；對比

前言

實現(xiàn)整車輕量化技術(shù)實現(xiàn)整車減重是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑，已經(jīng)逐漸成為各大車企發(fā)展的潮流，研究表明，傳統(tǒng)燃油車整備質(zhì)量每減少100kg將實現(xiàn)節(jié)油0.39L/100km，整備質(zhì)量每降低10%，油耗可降低6%-8%，尾氣排放也會下降4%。汽車輕量化設(shè)計一般通過輕量化材料、制作工藝以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式實現(xiàn)。碳纖維含碳量在90%以上，是一種力學(xué)性能優(yōu)異的無機高分子材料，它通過與樹脂、金屬及陶瓷等基體的復(fù)合，形成增強基復(fù)合材料。碳纖維復(fù)合材料擁有密度小、比剛度、比模量大、耐高溫、抗腐蝕及可設(shè)計性強等特點，因此在汽車輕量化材料中占有重要地位。預(yù)計到2030年，碳纖維復(fù)合材料將廣泛應(yīng)用在汽車零部件上[1]。本文基于等剛度替換原則[2]，用碳纖維材料替換傳統(tǒng)金屬材質(zhì)來設(shè)計發(fā)蓋，結(jié)合有限元分析方法對碳纖維發(fā)動機蓋進行彎曲、前角以及中后部剛度分析[3-4]，并與試驗數(shù)據(jù)進行對比，為碳纖維發(fā)蓋剛度性能目標(biāo)值的設(shè)定提供了實測依據(jù)，也為后續(xù)輕量化材料在其他汽車零部件上的應(yīng)用和推廣提供了參考方向。

1 碳纖維發(fā)動機蓋的設(shè)計開發(fā)

1.1 等剛度替換理論

通過等剛度替換理論，從而確定發(fā)蓋內(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b=b，則：

式中：E為層合板等效模量；

I為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)橫截面的慣性矩；

E為原結(jié)構(gòu)材料的彈性模量；

I為原結(jié)構(gòu)橫截面的慣性矩；

b，b為橫截面的寬度。

h，h為橫截面高度（或厚度）。

根據(jù)表達式（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，往往基于材料屬性進行厚度調(diào)整。此外，根據(jù)參考材料[5-6]，單個鈑金件的剛度與厚度成非線性關(guān)系，近似關(guān)系表達為：

式中：為幾何系數(shù)；

為彈性模量；

為材料厚度；

為厚度指數(shù)系數(shù)。

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

式中：0、1分別為材料替換前后的厚度；

0、1分別為材料替換前后的彈性模量；

0、1分別為材料替換前后的質(zhì)量；

0、1分別為材料替換前后的密度。

表1 內(nèi)、外板材料替換前后厚度對比

根據(jù)表達式（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)件，λ通常取值為1~2，幾乎很少有小于1或大于3的可能。基于上述理論可得發(fā)動機蓋內(nèi)、外板進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。

1.2 碳纖維發(fā)動機蓋結(jié)構(gòu)

碳纖維發(fā)動機蓋的內(nèi)外板采用碳纖維復(fù)合材料，內(nèi)部加強件仍然采用鋼制材料。考慮到復(fù)材成型的工藝問題，鋼結(jié)構(gòu)零部件會進行相應(yīng)的簡化和調(diào)整。在結(jié)構(gòu)方面，內(nèi)板取消涂膠槽、加強筋和工藝孔結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化切邊，如圖1所示（圖中的涂膠槽、加強筋、工藝孔和切邊，顯示的是優(yōu)化前傳統(tǒng)發(fā)蓋的結(jié)構(gòu)特征）。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)；鉸鏈加強板與內(nèi)板的連接由焊接結(jié)構(gòu)改成膠鉚結(jié)構(gòu)。此外，內(nèi)部加強板根據(jù)內(nèi)外板狀態(tài)重新進行設(shè)計優(yōu)化。

圖1 發(fā)動機蓋內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化示意圖

1.3 碳纖維發(fā)動機蓋輕量化效果

碳纖維發(fā)動機蓋由于在材料、結(jié)構(gòu)和工藝上進行了簡化處理，能夠減質(zhì)量8.221kg，減重比例達47%，如表2所示。

表2 碳纖維發(fā)動機蓋減重效果

2 碳纖維發(fā)動機蓋結(jié)構(gòu)性能分析

將碳纖維發(fā)蓋的3D數(shù)據(jù)導(dǎo)入到HyperMesh軟件中，對模型進行抽取中面和幾何清理后，再進行網(wǎng)格劃分處理，并建立局部坐標(biāo)系，然后參照某公司研究院的分析標(biāo)準(zhǔn)，分別對發(fā)動機蓋進行彎曲剛度、前角剛度、中后部剛度的CAE分析。

2.1 建立局部坐標(biāo)系

圖2 建立局部坐標(biāo)系示意圖

取鎖鉤中心點，左右兩個鉸鏈安裝點的中心點及左側(cè)鉸鏈安裝點三個點建立局部坐標(biāo)系。在該局部坐標(biāo)系中，z方向為鉸鏈軸方向，以上三點所確定的平面法線方向為y軸正方向，如圖2所示。

2.2 彎曲剛度分析

約束條件：對鉸鏈與車身安裝孔進行全約束，同時約束左右緩沖塊Y向自由度。

載荷條件：在發(fā)動機蓋鎖扣節(jié)點號（9）處施加Y向300N載荷，方向垂直于紙面向外，如圖3所示。

圖3 彎曲剛度約束條件和載荷工況

由HyperView后處理軟件可知，發(fā)動機蓋總成的鎖扣點Y向位移為1.072mm，如圖4所示，因此，發(fā)動機蓋的彎曲剛度為279.9N/mm。

圖4 彎曲剛度分析結(jié)果

2.3 前角剛度分析

約束條件：對鉸鏈與車身安裝孔進行全約束，同時約束鎖扣處1、2、3平動自由度，以及約束右側(cè)緩沖塊Y向平動自由度。

載荷條件：在左側(cè)緩沖塊節(jié)點號（11）處施加Y向100N的載荷，方向垂直于紙面向里（為了與試驗方向一致，由于做試驗時掛鉤不好放，故選擇伺服電動缸向上頂），如圖5所示。

圖5 前角剛度約束條件和載荷工況

由HyperView后處理軟件可知，發(fā)動機蓋左側(cè)緩沖塊Y向位移為0.7813mm，如圖6所示。因此，發(fā)動機蓋的前角剛度為127.9N/mm。

圖6 前角剛度分析結(jié)果

2.4 中后部剛度分析

約束條件：對鉸鏈與車身安裝孔進行全約束；約束鎖扣處1、2、3平動自由度；約束左右側(cè)緩沖塊Y向平動自由度。

載荷條件：在發(fā)蓋中后部節(jié)點號（10410），處施加Y向100N載荷，方向垂直于紙面向里（為了與試驗方向一致，由于試驗時該位置沒有通孔，故選擇伺服電動缸向上頂），如圖7所示。

圖7 中后部剛度約束條件和載荷工況

由HyperView后處理軟件可知，發(fā)動機蓋總成中后部剛度Y向位移為0.2483mm，如圖8所示。因此，發(fā)動機蓋的中后部剛度為402.7N/mm。

圖8 中后部剛度分析結(jié)果

3 碳纖維發(fā)動機蓋試驗驗證

在自動加載開閉件剛度試驗臺上，利用伺服電動缸、砝碼、掛鉤以及馬爾千分表等試驗儀器，按照臺架試驗委托單中的試驗要求，分別對某SUV混動車型的發(fā)動機蓋進行彎曲剛度、前角剛度、中后部剛度的剛度試驗。

3.1 發(fā)蓋無鉸鏈彎曲剛度試驗

用千分表監(jiān)測發(fā)蓋內(nèi)板鎖加載點處附近、左右前緩沖支撐點及左右鉸鏈板約束點的位移變化情況，同時在鎖點處加載300N力值，測量各表位移變化量并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，試驗布置如圖9所示。

圖9 發(fā)蓋彎曲剛度試驗布置示意圖

3.2 發(fā)蓋無鉸鏈前角剛度試驗

用千分表分別監(jiān)測發(fā)蓋內(nèi)板前部左右緩沖點、中部鎖鉤支撐點及左右鉸鏈約束點的位移變化情況，同時左緩沖點施加100N推力，測量各表位移變化量并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，試驗布置如圖10所示。

圖10 發(fā)蓋前角試驗布置示意圖

3.3 發(fā)蓋無鉸鏈中后部剛度試驗

用千分表監(jiān)測發(fā)蓋內(nèi)板中后部加載點、左右前支撐、中部鎖鉤支撐點及左右鉸鏈約束點的位移變化情況，同時在中后部處加載100N推力，測量各表位移變化量并記錄相應(yīng)數(shù)據(jù)，試驗布置如圖11所示。

圖11 發(fā)蓋中后部剛度試驗布置示意圖

綜上所述，獲得碳纖維發(fā)蓋的剛度試驗結(jié)果如表3所示。

表3 碳纖維發(fā)蓋剛度試驗結(jié)果

4 仿真與試驗結(jié)果對比

將先前的仿真分析結(jié)果與實測結(jié)果對比分析，如表4所示。

表4 仿真與試驗對比結(jié)果

從表4可知，仿真值會稍高于試驗值，原因分析：1）由于材質(zhì)、成型工藝水平的限制，試驗碳纖維發(fā)蓋的各項性能可能達不到理想標(biāo)準(zhǔn)；2）實驗過程中盡管使用相關(guān)設(shè)備約束了各約束點，也可能會產(chǎn)生微小的移動，同時也會受一些環(huán)境溫度的影響。

5 結(jié)論

本文以某混動車型的發(fā)動機蓋為研究對象，基于等剛度替換原則用碳纖維材料替換傳統(tǒng)金屬材料，通過CAE軟件分析其彎曲剛度、前角剛度以及中后部剛度性能指標(biāo)，并在自動加載開閉件剛度試驗臺上對碳纖維發(fā)蓋樣件進行了相對應(yīng)的剛度試驗。從仿真與試驗數(shù)據(jù)的對比結(jié)果可知，由于材料本身屬性和試驗條件的限制導(dǎo)致了仿真值會稍高于試驗值，同時獲得了碳纖維剛度的性能目標(biāo)值，為碳纖維復(fù)合材料在其他汽車零部件上的應(yīng)用和推廣提供了參考方向。

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Performance Analysis and Experimental Verification of Carbon Fiber Engine Cover

Li Fei, Huang Xiaozheng, Wang Shuai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Based on the principle of equal stiffness substitution, this paper take the engine cover of a SUV electric vehicle as the research object, use carbon fiber composite materials to replace the traditional steel material program, and take simulation analysis of the bending stiffness, the front angle stiffness and the middle rear stiffness by CAE simulation software. Through the bending stiffness, the front angle stiffness and the middle rear stiffness test of the carbon fiber engine cover sample, calculate the test stiffness data, and comparing it with the simulation result, which not only provides a basis for the setting of carbon fiber performance target value, but also provides a reference for the application of carbon fiber composite materials that using in the parts of vehicles.

Engine cover;Carbon fiber;Experiment; Contrast

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.039

U467

A

1671-7988(2019)10-112-04

U467

A

1671-7988(2019)10-112-04

李飛，工程師，研究生，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為整車能量管理和輕量化相關(guān)工作。