朱佳文,邱 睿,周甘华,曹清林
(1.江苏理工学院机械工程学院,江苏 常州 213000;2.奇瑞新能源汽车股份有限公司,安徽 芜湖 241002)
轻量化设计对汽车节能降耗、新能源汽车续航里程有重要的积极影响,汽车零部件轻量化成为近年来汽车领域研究的热点[1]。汽车轻量化有结构设计、使用轻质材料和成型工艺优化等方法[2-3],在汽车结构件上采用轻质高强的复合材料代替金属材料逐渐成为一种趋势。热塑性复合材料(FRTP)[4-8]是一种以热塑性树脂为基体、以纤维为增强的材料,与传统的汽车材料相比,热塑性复合材料的密度较低,且具有良好的冲击韧性,能够在降低整车重量的同时,有效提高汽车的使用性能[9-10]。FRTP 复合材料成型工艺简单多样,成型效率高,便于批量化生产[5]。德国大众汽车公司采用长玻纤增强聚丙烯(LFT-PP-40LGF)复合材料后,汽车进气歧管的质量降低了15%,同时提供了良好的阻尼性[11];德国BMW 汽车公司某型车的驾驶员底座支架采用PPLGF50生产,提高刚性的同时减重达62%[11];戴姆勒福莱纳车型的挡泥板和保险杠采用了30%长纤维增强PP材料,解放牌某型重卡上采用40%长纤维增强PP材料,均取得了良好的轻量化效果,同时增强了力学性能[12]。
前地板后本体作为车厢底板重要承力结构件,对其进行轻量化设计具有重要的工程价值。国内某汽车公司采用碳纤维复合材料对白车身汽车地板进行设计,满足强度和刚度性能要求,减重效果明显[1],验证了复合材料在汽车前地板上设计应用的可行性。本设计以某新能源车型的前地板后本体为对象,采用“SGFRTP+CFRP”材料组合替代原金属材料,即主体区域采用短切玻纤增强树脂基复合材料(SGFRTP)代替原金属材料,集中承载区采用碳纤维片材局部补强;结合性能要求、装配要求及成型工艺要求,对前地板后本体的结构进行设计和优化,使得优化后的复合材料地板相对于原金属材料地板减重10%以上;使用UG软件建立前地板后本体结构件的几何模型,利用HyperWorks软件对结构件典型工况进行模拟,检验以SGFRTP与CFRP相结合的前地板后本体结构设计的可行性和轻量化效果。
某新能源车型中现有的前地板后本体材料为5052铝合金,前地板后本体与车门两侧的支撑件及座椅下的支承板间采用焊接方式连接,与骨架和横梁在搭边和翻边处采用胶铆连接,装配关系,如图1 所示。铝合金前地板后本体结构为长方形钣金结构,其长度为1284mm,宽度为341mm,厚度为1.2mm;中间凸起部分为手刹区,用来装配手刹装置,为保证手刹区刚度,两边焊接了两根钢制加强筋条,具体结构,如图2所示。
图1 前地板后本体装配关系Fig.1 Assembly Relationship of Rear Body of Front Floor
图2 铝合金材料前地板后本体Fig.2 Aluminum Rear Body of Front Floor
性能要求方面:前地板后本体主要承受手刹安装位置的拉扯力和脚踩区的踩踏力,因此首先要保证手刹区有足够的刚度和强度性能;由于前地板后本体与下方装配的电池包间距只有10mm,为避免前地板后本体踩踏后发生变形过大与电池组发生干涉,要保证脚踩区有足够刚度。按照等刚度设计原则,复合材料地板手刹区受载变形量小于1mm,脚踩区受载变形量小于2mm。选材方面:结构件主体采用SGFRTP 材料,其具有密度小、成本低、成型效率高等优点。但SGFRTP 材料的模量(5.5GPa)远低于铝合金材料(70GPa),且该结构件属于尺寸较大的薄壳类结构,按照等效刚度设计原则,单纯通过增加结构件的厚度来达到与铝制件同等性能,其厚度将非常大,不仅无法实现轻量化,还给装配带来很大难度。因此,采用“SGFRTP+CFRP”材料组合,即在结构件主体采用SGFRTP材料的基础上,对地板脚踩区、手刹区等主要承载区域进行连续碳纤维片材补强,利用CFRP补强片的优异性能来增强结构件的刚度和承载区的强度。为保证补强片材和主体材料的相容性,两种材料的树脂基体都选用聚丙烯。
结构设计方面:首先保证复材地板的外廓尺寸(长度和宽度)与原铝合金结构一致。鉴于纤维屈曲会严重削弱CFRP补强片材的力学性能,并对成型效果有较大影响,在设计补强片铺设表面结构时应尽可能保持纤维平直,减少结构曲率突变带来的纤维屈曲,结合成型工艺将前地板后本体上表面除手刹区外其他部位设计为平面结构,如图3(a)所示。同时,为避免因结构上过小的曲率特征导致补强片成型缺陷,将原手刹区周边的沟槽去掉,手刹区优化前后结构对比,如图6所示。
图3 复合材料前地板后本体整体结构设计Fig.3 The Overall Structure Design of Composite Front Floor and Rear Body
图4 简支梁挠度计算Fig.4 Deflection Calculation of Simply Supported Beam
图5 子区域截面尺寸Fig.5 Section Size of Sub Region
图6 手刹区结构优化对比Fig.6 Comparison of Structural Optimization of Handbrake Area
前地板后本体下表面结构设计,如图3(b)所示。为满足地板的承载刚度和轻量化要求,将前地板后本体的非补强区部分的厚度增加到2.4mm,并在地板背面添加十字加强筋与斜45°加强筋,如图3(b)中的边界安装区所示。为增强补强区的整体力学性能,在补强区背面设置十字加强筋,通过在手刹区背面原有十字加强筋的基础上增加±45°的加强筋,进一步增强手刹区的局部刚度[13],结构如图3(b)中的手刹安装区所示。十字加强筋将地板分成若干子区域,每一子区域截面可近似等效为简支梁,如图4所示,中间点C的挠度fc为:
式中:a—简支梁一半的长度;q—均布载荷;fc—C点挠度;Iz—惯性矩;E—材料弹性模量。
由式(1)可知,长度a越小,挠度fc越小,惯性矩Iz越大,挠度fc越小,所以为了减小地板的变形,有效的方式是减小a或者增大子区域的截面惯性矩。
子区域的截面示意图,如图5所示。整个截面的形心C的坐标为:
式中:h0—子区域高度;
h—子区域内表面高度;
b0—子区域宽度;
b—子区域内表面宽度。
整个子区域相对于形心的惯性矩计算式为:
由式(3)可知,要想增大截面惯性矩I,得增大b0、h0,同时减小b、h。为保证加强筋高度不高于地板背面搭边区,加强筋高度为7.4mm,同时为达到轻量化目标,加强筋宽度设置为1.5mm。在厚度设计时,综合考虑成本与轻量化效果,将补强区中GFRTP材料的厚度增加到1.5mm;CFRP补强片厚度确定时,因现有预浸片材单层厚度为0.15mm,只需要确定铺层数和铺层角度。为保证多层片材自动抓取过程中不发生散落,补强片铺层数受机械手点焊最大厚度不超过1mm的尺寸限制,故补强片最大铺设层数确定为6层,片材补强总厚度为0.9mm。铺层角度需要根据补强片尺寸和片材宽度考虑裁剪方式,不同铺层角度片材裁剪方式,如图7所示。从图中可以看出,代表(±45)°方向铺层(①号和②号)裁剪时造成周边材料的浪费,应优先选用0°(④号和⑤号)和90°铺层(③号和⑥号),综合考虑性能和成本,最终选定6层片材的铺层为[90°/0°/90°/0°/90°/0°]。不同区域的位置及尺寸关系,如图8(a)所示。补强片的铺层顺序,如图8(b)所示。其中,铺层0°方向对应结构件长度方向,90°方向对应结构件宽度方向。
图7 不同角度铺层裁剪示意图Fig.7 Schematic Diagram of Laying Cutting at Different Angles
图8 不同区域材料分布方式Fig.8 Material Distribution in Different Area
成型工艺层面:在模压成型过程中,为避免应力集中和方便脱模,在前地板后本体脚踩区与搭边区连接处倒圆角,如图9(a)所示。A、B处半径分别为5mm 和3mm,将加强筋边倒半径1mm的圆角并设置2°的拔模斜度,如图9(b)所示。
图9 倒角和拔模处理Fig.9 Chamfering and Draft Processing
采用UG三维软件建立前地板后本体的几何模型,再以STP格式将几何模型导入HyperWorks有限元分析软件。
在划分网格前,需要对模型抽取中面并进行几何清理以保证网格划分的质量,地板的上下表面与翻边过渡处有半径较小的圆角,在有限元分析中,这些尺寸较小且对工况分析影响不大的特征,会给网格划分带来麻烦,不仅会增加网格的夹克比,还会降低该区域的网格质量,从而降低分析结果的准确性。因此,对这些不太重要的细小特征进行简化。简化前后,如图10所示。
图10 前地板后本体细小特征的几何清理Fig.10 Geometric Cleaning of Fine Features of Rear Body of Front Floor
考虑地板的各种工况及模型特征,网格划分采用二维片体单元网格,考虑地板的尺寸大小及计算机的性能,原铝合金地板有限元模型的网格尺寸设置为5mm,优化后的复合材料地板有限元模型的网格尺寸设置为8mm。相比于铝合金模型,优化后模型的网格节点数和单元数均大幅下降。不同材料的地板有限元模型,如图11所示。
图11 不同材料的地板有限元模型Fig.11 Finite Element Model of Floor with Different Materials
网格划分完成后,对零件赋予材料属性,优化前的地板赋予铝合金材料,设计后的地板未补强区赋予热塑性短玻纤复合材料,补强区赋予碳纤维复合材料。三种材料的属性[14-15],如表1所示。
表1 三种材料的力学性能Tab.1 Mechanical Properties of Three Materials
前地板后本体脚踩区的受力主要来自乘车人,手刹区的受力主要来自于刹车时的手刹装置。通过点焊将地板四周与其他部件连接,起到约束作用,约束宽度为10mm,在垂直于地板手刹区下表面方向施加100N的压力,相当于施加(3.30×10-2)MPa的面载荷,载荷施加情况,如图12(a)所示。在模拟脚踩区承受50kg踩踏力变形情况时,垂直于地板脚踩区法面施加490N的压力(面载荷(5.44×10-3)MPa),脚踩区承载范围取(300×300)mm。载荷施加情况,如图12(b)、图12(c)所示。典型工况下地板载荷施加情况,如表2所示。
表2 两种工况载荷的施加Tab.2 The Application of Two Operating Loads
图12 前地板后本体加载示意图Fig.12 Loading Schematic Diagram of Rear Body of Front Floor
通过软件自带的HyperView 功能,对仿真结果进行查看处理,得到各工况下的应力、变形分布云图,对其进行分析。
前地板后本体手刹区受载工况下的仿真结果,如图13、图14所示。由图13 可见,5052铝材料的前地板后本体的最大变形为0.73mm,复合材料前地板后本体的最大变形为0.99mm,优化后的地板在手刹区受载工况下的变形满足最大变形量小于1mm的设计要求。
图13 手刹区变形云图Fig.13 Nephogram of Handbrake Zone Deformation
图14 手刹区应力云图Fig.14 Stress Nephogram of Hand Brake Zone
由图14可以看出,优化前后的地板在手刹区受载后,应力主要集中在手刹区的小孔处以及手刹区和两边平面的过渡连接处。5052 铝地板的最大应力为48.14MPa,小于5052 铝材料的屈服强度,复材地板的最大应力为20.57MPa,远小于CFRP材料的破坏强度。
前地板后本体脚踩区受载工况下的仿真结果,如图15、图16所示。由图15可见,5052铝材料的前地板后本体的最大变形为2.13mm,复合材料前地板后本体的最大变形为1.52mm,比铝制地板变形量下降了28.64%,说明复合材料前地板后本体脚踩区的刚度优于原铝合金件。
由图16可以看出,优化前的地板在脚踩区受载后,应力主要集中在脚踩区的上下两边,优化后的地板应力主要集中在脚踩区中间区域且应力分布更加均匀。其中,5052铝地板的最大应力为156.90MPa,小于5052铝材料的屈服强度;复合材料地板的最大应力为24.13MPa,远低于CFRP材料的破坏强度,所以此设计安全可靠。
图16 脚踩区应力云图Fig.16 Stress Nephogram of Pedal Area under Loading
前地板后本体在手刹区受载、脚踩区受载两种工况下的分析结果,如表3所示。从优化前后的应力对比来看,两种工况下复合材料地板的安全系数远高于5052铝材料的地板,这表明优化后的前地板后本体的强度得到大幅提高,满足设计要求;在变形方面,优化后的前地板后本体在手刹区受载和脚踩区受载两种工况下的变形量都很小,满足刚度设计要求;从优化前后的地板质量对比可见,复合材料地板质量比5052 铝地板质量降低了10.37%,有轻量化效果。综上所述,本设计充分运用了连续碳纤维材料高强度、高模量的特点,设计的玻纤加局部碳纤维补强地板性能安全可靠,实现了轻量化设计目标。
表3 优化前后地板分析结果对比表Tab.3 Comparisons of Floor Analysis Results before and after Optimization
注:由于碳纤维片材承受主要载荷,*安全系数是按照碳纤维复合材料的破坏强度计算得出。
本设计采用复合材料代替原5052铝合金材料,结合性能、装配和成型工艺要求,对前地板后本体的结构进行重新设计和优化,检验典型工况下结构件的力学性能,得出以下结论:(1)保持前地板后本体外廓尺寸不变,将地板分为非补强区和补强区两部分,非补强区采用SGFRTP材料代替原铝合金材料,补强区采用“SGFRTP+CFRP”材料组合;将地板上表面除手刹区外其他部位设计为平面结构,地板背面设置网格状加强筋,优化重要承载区的加强筋结构和布局;考虑成本问题,优化片材补强的铺层选择;考虑相容性和成型工艺性,进行倒角和拔模斜度设计。(2)对前地板后本体典型工况进行仿真分析,复合材料前地板后本体手刹区和脚踩区均满足性能要求,应力安全系数高于原铝合金地板,脚踩区与翻边过渡处的应力集中得到改善,同时减重10.37%。(3)相对于原铝合金地板,复合材料地板使用了成本低、成型效率高的SGFRTP材料,便于大批量生产,从材料发展趋势和应用前景看,前地板后本体采用短切玻纤和连续碳纤维材料具有前瞻意识,对后续前地板后本体的设计优化具有一定的参考价值。