PP蜂窩板在某客廂式物流車上的應用

柳成冬 安曉蒙 宋英豪 文

蜂窩夾芯板作為一種高強度、輕量化的優異結構板材，是仿生學應用的成果之一。在20世紀50年代研發初期，蜂窩芯材多用金屬材質，其中以鋁制蜂窩芯材為主；但由于鋁制蜂窩制造加工比較困難、成本相對較高，在航空航天領域應用較多。現階段，隨著制造技術和高分子材料性能的不斷進步，化工樹脂材料逐漸應用到蜂窩板材芯材的制造中；新近發展起來的熱塑性蜂窩板材，具有更加優異的性能[1]。

熱塑性蜂窩板，其面層使用的是玻璃鋼纖維板，內部芯材使用的是PP(聚丙烯)材料。熱合后，連接非常緊密，不僅自質量更輕、強度更高，且耐候性強，防水防潮，芯材可以循環再利用，更加環保[2]。PP蜂窩板是廂式物流車貨廂輕量化的重要低密度材料之一[3]。

下面主要介紹PP蜂窩板在某款客廂式物流車輕量化設計中的具體應用，其應用方式不同于傳統輕型廂式物流車貨廂減重的設計方法[4]。在本車型輕量化設計中，將PP蜂窩板融入整車(客車)的全承載式結構設計中，參與一定承載，取得了不小的輕量化效果，同時仍保留了廂式物流車獨特的造型及結構。這是一次鋼管骨架結構式車身引入復合材料進行輕量化設計的新嘗試，下面對其結構設計思路進行介紹和分享。

1 輕量化設計結構及驗證

1.1 輕量化設計

本車型是一款5.9 m純電動物流車，采用客車全承載式骨架結構設計，駕駛室與貨廂一體，貨物空間16 m3，承載質量1.5 t，具有不同于傳統輕型廂式物流車的造型(見圖1)。

圖1 本車型實車照片

客車傳統結構，主要以承載骨架焊接，外部漲拉1.0 mm鋼制蒙皮結構[5]，作為外覆蓋件，蒙皮表面需要進行原子灰、噴漆等處理。貨廂內部，同樣需要具有一定剛度的內覆蓋件。而PP蜂窩板材雙面的表層玻璃纖維板具有良好的耐沖擊性，而且其表面還可以進行覆膜和免漆處理。在輕量化設計中，將側圍骨架貨廂部分結構，更改為20 mm厚的PP蜂窩板材，可解決內外覆蓋件表面強度問題，且使蜂窩結構參與到承載中，從而保證整車的強度及剛度(如圖2)。在圖2中，深色部分為PP蜂窩板材，蜂窩板使用區域在側圍貨倉區域。

圖2 側圍骨架前后結構對比圖

骨架式結構的主要工藝是焊接，處理蜂窩板材與鋼制骨架連接是難點之一。一般的廂式貨車，貨廂各板材固定使用的是特定形式的鋁型材，打孔、螺栓連接安裝或鉚釘膠接結合安裝[4]。考慮到使用螺釘連接會影響車輛外部美觀度，而采用聚氨酯膠接安裝與鋼材連接；在涂裝漆面烘干過程中，因存在膠接失效的風險，且粘接膠性能對工廠溫度、濕度都有一定要求，增加工藝成本[6]。所以，本車采用了一種新式的PP蜂窩板邊緣處理方法[7]；使用鋼制U型件處理蜂窩板邊緣(如圖3)，使板材邊緣可以進行焊接處理，改善制造工藝。

圖3 PP板邊緣連接結構示意圖

U型固定件與蜂窩板材采用的是小間隙配合，使用專用合攏工裝，將U型件與蜂窩板壓合。U型固定件橫向間距200 mm，開多個φ13同心的對穿圓孔，用于安裝金屬銷。金屬銷與安裝孔采用過盈配合，以錘擊的方式敲入安裝孔中。金屬銷一端進行倒角處理，具有一定的導向功能。4個邊緣都處理完成的PP板材(如圖4)，在整車合攏工序中，板材邊緣與6大片骨架焊接合攏，焊接成一個完整的白車身。

1.2 CAE校核分析

圖4 PP板材處理示意圖

為保證車身骨架采用蜂窩板及高強鋼后的整車骨架強度，對減重前后骨架進行制動、轉向、彎曲及極限承載工況下的受力分析[8-9]；骨架在滿載載荷下，動載系數取2.5[10]。各工況應力及變形如圖5～8所示，應力及變形值如表1所示。

圖5 制動工況分析圖

圖6 轉向工況分析圖

圖7 彎曲工況分析圖

圖8 極限工況分析圖

表1 整車骨架減重前后各工況應力及應變

骨架矩管采用高強鋼700L，其屈服強度為700 MPa。通過表1數據對比分析可知，采用PP蜂窩板的整車骨架受力情況明顯優于前結構。

1.3 路試

在對本車進行CAE分析的同時，打造了一輛樣車，用于路試驗證。滿載路試約10 000 km，結果顯示整車性能良好，PP蜂窩廂板及周邊結構未出現產品質量不良的問題。

2 總結

PP蜂窩板作為一種輕質、高強度的復合材料，是車輛輕量化設計中重要選材之一。本文所述的基于PP蜂窩復合材料的鋼管骨架結構式車身輕量化設計方案，其設計降重達80 kg，輕量化效果明顯。這對其他輕量化設計具有一定的參考價值。