超輕玻纖復(fù)合材料后背門輕量化研究

摘 要：超輕玻纖復(fù)合材料作為一種超輕A級(jí)表面材料，與金屬相比，具有比強(qiáng)度高和比模量高，靈活的設(shè)計(jì)自由度等優(yōu)點(diǎn)。本文以汽車后背門為研究對(duì)象，在保證目標(biāo)性能的前提下，采用自由尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化方法，優(yōu)化后的玻纖復(fù)合材料后背門各向性能均優(yōu)于金屬后背門，且減重達(dá)到25%以上。

關(guān)鍵詞：超輕玻纖復(fù)合材料;后背門;輕量化研究

1 引言

據(jù)汽車工業(yè)不完全統(tǒng)計(jì)，汽車整備質(zhì)量每降低10%，燃油效率能提高6%-8%。對(duì)應(yīng)歐盟的CO2排放指標(biāo)，汽車的整備質(zhì)量每降低100kg，CO2排放降低10g/km，因此，汽車輕量化具有重大意義。與金屬相比，超輕玻纖復(fù)合材料的密度為1.24g/cm3，是普通鋼的1/6，是鋁合金的1/2。其比強(qiáng)度接近鎂合金，但成本遠(yuǎn)低于鎂合金，比強(qiáng)度高于其他金屬材料。因此，超輕玻纖復(fù)合材料是汽車輕量化的最佳選擇之一。

后背門是汽車的重要組成部分，不僅應(yīng)滿足開啟裝載貨物的功能，而且要達(dá)到A級(jí)表面的外觀質(zhì)量要求。現(xiàn)有的后背門由內(nèi)板，外板，加強(qiáng)板和鉸鏈等組成，均為鈑金沖壓結(jié)構(gòu)，厚度在0.65-0.8mm之間。本文后背門內(nèi)板采用高強(qiáng)度玻纖復(fù)合材料[1]，外板采用超輕的A級(jí)表面玻纖復(fù)合材料，內(nèi)外板采用膠粘連接。通用自由尺寸和拓?fù)鋬?yōu)化方法，優(yōu)化內(nèi)板和外板的結(jié)構(gòu)和厚度分布，經(jīng)CAE分析各項(xiàng)指標(biāo)均滿足性能要求，與鈑金后背門相比減重效果非常明顯。

2 汽車后背門的性能指標(biāo)

為了后續(xù)比對(duì)分析方便，本文選取某品牌純電動(dòng)汽車（簡(jiǎn)寫為Car）后背門作為建模研究對(duì)象，該對(duì)象的基本參數(shù)如下：（1）剛度。側(cè)向剛度≥40n/mm，彎曲剛度≥30n/mm。（2）抗凹性。使用直徑80mm的圓盤作為實(shí)驗(yàn)工具，向外板任意區(qū)域施加400N的壓力后，汽車外板形變≤10mm。（3）振動(dòng)與聲振粗糙度（英文簡(jiǎn)寫為NVH）。NVH≥30Hz。（4）后背門質(zhì)量。Car的后背門質(zhì)量設(shè)定為16.8kg。基于Car的基本性能指標(biāo)討論尺寸優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化和鋪層次序優(yōu)化策略的效果。

3 汽車復(fù)合材料后背門優(yōu)化策略

為了確保在不降低汽車后背門整體性能、不影響乘車人舒適度的前提下進(jìn)行后背門質(zhì)量（單位kg）的合理縮減，選用OptiStruct軟件建模分析復(fù)合材料后背門模態(tài)頻率、剛度和抗凹性等重要參數(shù)并生成模擬圖。在開展優(yōu)化分析之前需要重點(diǎn)關(guān)注復(fù)合材料后背門的優(yōu)化原則，基于這些優(yōu)化原則確保模擬優(yōu)化分析工作順利進(jìn)行。

（1）平衡對(duì)稱性：汽車復(fù)合材料后背門應(yīng)當(dāng)以均衡對(duì)稱形式為主，均衡對(duì)稱是最為常見且穩(wěn)定的一種對(duì)稱形式，能夠最大限度避免層合板因?yàn)槁N曲變形影響汽車安全性。

（2）鋪層順序。在滿足減重效果的同時(shí)不能影響到汽車原有性能，一般情況下整體鋪層數(shù)量應(yīng)當(dāng)控制在4層以下，層數(shù)過(guò)多會(huì)影響減重效果。

（3）鋪層角度控制。鋪層方向不宜過(guò)多過(guò)亂，一般取45°的整數(shù)倍。

3.1 超輕玻纖復(fù)合材料后背門自由尺寸優(yōu)化

為了后續(xù)描述方便，本文需要預(yù)先給出“超級(jí)鋪層”的概念：所謂“超級(jí)鋪層”是指將多個(gè)單一鋪層（一般厚度為0.5mm）在同一個(gè)方向進(jìn)行疊加，并通過(guò)粘合、固定、捆綁等手段將多個(gè)單一鋪層組裝成一個(gè)整體，這個(gè)整體就可以被看做一個(gè)“超級(jí)鋪層”。整個(gè)后背門自由尺寸優(yōu)化過(guò)程可以概括為三步：（1）設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化。主要優(yōu)化“超級(jí)鋪層”厚度以及所含的單個(gè)鋪層數(shù)量。（2）設(shè)計(jì)約束優(yōu)化。內(nèi)外板體積分?jǐn)?shù)≤0.3，彎曲工況施加載荷點(diǎn)位移≤1.02mm，扭轉(zhuǎn)工況施加載荷點(diǎn)位移≤2.4mm，側(cè)向工況施加載荷點(diǎn)位移≤3.23mm，見圖1。

3.2 超輕玻纖復(fù)合材料后鋪層次序優(yōu)化

超輕玻纖復(fù)合材料后鋪層次序優(yōu)化鋪層次序優(yōu)化過(guò)程可以描述為：（1）設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化。后背門內(nèi)板9層鋪層次序;后背門外板10層鋪層次序;內(nèi)外板設(shè)置為對(duì)稱鋪層（2）設(shè)計(jì)約束優(yōu)化。后背門內(nèi)外板的外表面為正負(fù)45°鋪層;后背門內(nèi)外板的外表面最多允許3層角度相同的連續(xù)鋪層。（3）設(shè)計(jì)目標(biāo)優(yōu)化。設(shè)加權(quán)柔度=F（彎曲工況、扭轉(zhuǎn)工況、側(cè)向工況），要求加權(quán)柔度取得最小值。

3.3 超輕玻纖復(fù)合材料尺寸優(yōu)化

超輕玻纖復(fù)合材料后鋪層次序優(yōu)化鋪層次序優(yōu)化過(guò)程可以描述為：（1）設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化。適當(dāng)降低單個(gè)形狀鋪層塊厚度。（2）設(shè)計(jì)約束優(yōu)化。彎曲工況施加載荷點(diǎn)位移≤1.03mm，側(cè)向工況施加載荷點(diǎn)≤3.22mm，扭轉(zhuǎn)工況施加載荷點(diǎn)位移≤2.41mm，復(fù)合材料應(yīng)力F滿足-60Mpa≤F≤60Mpa。經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化后，超輕玻纖維后背門的剛度性能得到明顯提升。

4 結(jié)果對(duì)比分析

根據(jù)模態(tài)優(yōu)化結(jié)果可知，鈑金尾門的第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為30.5Hz（見結(jié)果1），復(fù)合材料尾門的第一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為33Hz（見結(jié)果2），均滿足NVH的目標(biāo)要求。鈑金尾門的側(cè)向剛度為40.2N/mm，復(fù)合材料尾門的側(cè)向剛度為50.6N/mm， 均滿足剛度目標(biāo)要求。鈑金尾門的彎曲剛度為31.2N/mm，復(fù)合材料尾門的彎曲剛度為35.9N/mm，均滿足剛度目標(biāo)要求。鈑金尾門的最大變形為10.27mm（見結(jié)果3），最大應(yīng)力為265.7Mpa，位移不能滿足性能要求，且局部有永久變形;而復(fù)合材料尾門最大變形為9.3mm（見結(jié)果4），滿足性能要求。復(fù)合材料的最大應(yīng)力只有50.8Mpa，無(wú)永久變形，抗凹性能遠(yuǎn)優(yōu)于鈑金尾門。

5 結(jié)論

本文對(duì)鈑金后背門和玻纖復(fù)合材料后背門進(jìn)行對(duì)比分析[2]，采用先進(jìn)的輕量化優(yōu)化方法和復(fù)合材料靈活的設(shè)計(jì)自由度優(yōu)勢(shì)，在滿足NVH、側(cè)向剛度、彎曲剛度和抗凹性的各向性能指標(biāo)的前提下，與鈑金后背門相比重量減少了4.2kg，減重效果達(dá)25%以上。因此，超纖復(fù)合材料是汽車輕量化的發(fā)展的最佳選擇之一。

參考文獻(xiàn)：

[1]程章，朱平等 碳纖維復(fù)合材料汽車翼子板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究 [J] 汽車工程學(xué)報(bào) 2015.9.

[2]奉振華，石紀(jì)軍 超輕玻璃纖維復(fù)合材料在汽車翼子板輕量化應(yīng)用 [J]Altair 2017技術(shù)大會(huì)論文集.