内外饰|基于碰撞安全的复合材料尾门设计
文章来源：《汽车零部件》
发布时间：2021-04-29
汽车尾门结构作为汽车车身中独立的系统总成，一般由尾门本体、尾门附件及尾门内外饰三大部分组成。
研究资料表明，汽车整备质量每减少10%，油耗就可以节省6%～8%，汽车整备质量每减少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，与此同时，汽车整备质量的减小还会减少大气中二氧化碳的排放量，以及氮化物、硫化物等有害物质的排放。因此，汽车轻量化已成为汽车工业发展的方向之一，是提高汽车的燃油经济性、减少排放的重要技术途径。汽车轻量化技术是在满足汽车使用性能和成本控制的条件下，轻量化结构优化、轻量化材料运用与轻量化加工制造的综合应用技术[1-2]。
随着汽车制造技术向模块化、集成化、轻量化的发展，汽车复合材料尾门,成为各大汽车制造商车身部件模块化的重要方向。目前传统尾门采用散件装配的形式，主要包括内外板落料、冲压、包边和焊接，随白车身电泳、涂装，最后总装线装配高位刹车灯、尾灯、牌照灯、玻璃、扰流板、线束、锁扣、内饰板、LOGO等部件；复合材料尾门可将外板和扰流板集成，内板和部分内饰板集成设计，装配其他零部件，实现模块化供货，单台车辆尾门总装时间最高可节省约1 000 s。
复合材料(Composite Materials)，是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学的方法，在宏观上组成具有新性能的材料。塑料复合材料具有密度小、比强度高、抗腐蚀性好、易成形从而降低了复杂零件的加工难度，塑料基的复合材料可设计性强，耐冲击并可绝热、不导电，因此，是汽车轻量化的重要材料。目前塑料复合材料主要应用在汽车内、外饰等装饰件上，但是近年来塑料复合材料正由内、外饰等装饰件向结构件发展，以减轻汽车结构件的质量[3]。将塑料复合材料应用于汽车尾门，凸显出的优势有：(1)减重：复合材料尾门比金属尾门减重25%～35%，为5～7 kg,提升燃油经济性；(2)高度集成化：整体注塑成型，大幅减少零部件数量，省去焊接、节省装配等费用，减少装配工具，节约场地，进一步降低成本；(3)宽泛设计自由度：设计自由度更高，可实现金属钣金件难以成形的形状，造型美观，有利于空气动力学优化；(4)开关门的轻快性：随着轻量化，车门开关的轻快性加强，开关门的声音也随之减轻；(5)低模具成本：模具减少 ，具有更低的模具投入及更低模具维护维修费用；(6)轻微碰撞的低维修费：具备一定的弹性，低速碰撞时可复原，降低了维修概率，节省了维修成本；(7)质量稳定：稳定的部件质量,注塑产品相对于钣金焊接质量更稳定，可达到注塑机的一级表面；(8)其他优势：有更好的隔热，隔音、电绝缘性、化学耐腐蚀性。
汽车尾门结构作为汽车车身中独立的系统总成，一般由尾门本体、尾门附件及尾门内外饰三大部分组成，传统尾门和复合材料尾门主要零件组成对比见表1。尾门示意图如图1所示。
基于环保和造型自由度的考虑，文中的汽车尾门外板采用PP-T20，内板采用PP-LGF40，内外板采用结构胶进行连接，材料性能见表2。
由于塑料材料本身的特性，选择注塑工艺进行加工，选择料厚时需综合考虑外板表面抗凹性、注塑模具压力、浇口布置等因素；而且尾门内板还是主要受力结构，尾门玻璃、尾门锁、气弹簧等安装在尾门内板上，厚度选择需要考虑强度以及刚度的要求。文中的尾门内、外板主料厚为2.8 mm，局部加强区域以及部分加强筋厚度为3 mm。
因为PP-LGF40材料的弹性模量只有钢的1/39，强度较差，局部承受扭矩较大区域需增加金属加强板进行加强。
(1)尾门运动时主要依靠气撑杆来支撑，需加强尾门两侧的强度以及增加金属加强板进行局部加强，将铰链加强板与气弹簧支撑板连成一体，并嵌入模具进行嵌件注塑工艺成型；
(2)尾门限位块区域承受较大关门冲击力，应安装钣金支架来承受冲击，避免塑料件被冲破；
碰撞装置为一刚性的钢制结构，表面为平面，宽度不小于2 500 mm，高度不小于800 mm，其棱边圆角半径为40～50 mm，表面装有厚为20 mm的胶合板，碰撞装置如图2所示。
移动壁障的碰撞表面应铅垂，并垂直于被撞车辆纵向中心平面；移动壁障移动方向应水平，并平行于被撞车辆的纵向中心平面；碰撞表面的中垂线和被撞车辆的纵向中心平面间的横向偏差不大于300 mm，并且碰撞表面的宽度应超过被撞车辆的宽度；碰撞表面下边缘离地高度为(175±25)mm。
根据法规要求，移动壁障的碰撞速度为(50±2)km/h，移动壁障的总质量为(1 100±20)kg。
(2)碰撞试验后，燃油装置若有液体连续泄漏，则在碰撞后前5 min平均泄漏速率不应大于30 g/min；
(4)在碰撞过程中和碰撞试验后，蓄电池应由保护装置保持自己的位置[4]。
(1)网格划分：单元基本尺寸取10 mm，最小单元尺寸为3 mm，注意检查自由边、自由节点、单元法向和重复单元等质量问题，布置在车辆后端的燃油系统相关部件进行详细建模，包含油箱本体、碳罐总成、燃油管总成；
(3)调穿透与干涉：检查干涉与穿透，并进行调整，直至无穿透，干涉厚度小于0.1 mm；
(4)连接：模型各部件之间的连接严格按照实物之间的连接关系，分别采用螺栓、铰链、胶接、点焊和缝焊来接，其中螺栓连接用Patch模拟，黏胶和点焊用实体单元模拟，焊缝用RigidBody模拟；
(5)接触：主要是焊点接触、黏胶接触、自接触、面面接触等，整车的自接触采用*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，这种接触是基于罚函数理论，通过检查从部件集合与主部件集合的接触情况，通过罚力来阻止从属部件的节点穿透到主部件单元中；焊点接触采用*CONTACT_SPOTWELD；黏胶解除采用*CONTACT_NODE_TO_SURFACE；
(6)加载：按照法规要求正确摆放壁障，设置碰撞速度(50±2)km/h；
(7)卡片输出：设置计算时间、时间步长等参数，为了便于后续结果分析，需输出碰撞中的应力和应变；
(8)截面力输出：用刚性截面XSectionplane来测量通过传力路径上的截面力,输出截面力的目的是为了在后处理时可以得出车身各部位传力大小；
(9)模型的检查和计算：基于Hypermesh中Dyna模块的Dyna Error Check功能，对模型进行检查，模型检查结果有两种，第一种是Warning，第二种是Error，Error需要调试和改正，Warning一般不导致Dyna计算异常终止，但是不排除报错，所以可以在完成Dyna Error Check调试之后，还需要结合Dyna计算软件的Message文件来调试模型，使用Ls-dyna 6.1提交计算，由于模型较大，尽量采用Ncpu较大的计算机，并且设置Memory大于500 m来计算。
(1)在Hyperview中提取结果文件，d3plot文件以查看碰撞动画，并仔细查看撞击过程，查看是否发生异常或有零件未连接，如果发生，需调整模型后重新计算。通过Glstat文件检查能量曲线，重点关注动能、内能、沙漏能、接触能和总能量，各能量曲线如图4所示，能量变化正常。
(2)整车变形如图5所示，未出现恶劣变形，整车结构均满足要求。
(3)应保证电池包在后碰过程中及后碰完成后与其他部件之间的距离，不与其他部件发生接触，电池包及安装支架的应变应小于0.2，考虑安全裕度，应变需小于0.1。分析结果如图6所示，其中钢制尾门中电池包及其安装支架最大应变0.091，复合材料尾门中电池包及其安装支架最大应变0.094，均满足要求。
(4)分别提取钢制尾门和塑料尾门的车身加速度，如图7所示，两次仿真加速度基本一致。
(5)分别对钢制尾门和塑料尾门进行后碰分析，主要针对尾门变形、应变进行考察对比，分析结果如图8和图9所示，其中钢制尾门最大应变0.132，复合材料尾门最大应变0.675；钢制尾门最大变形量165.9 mm，复合材料尾门最大变形量140.6 mm。
(6)复合材料尾门应变较大，碰撞过程中失效风险较大，针对此问题进行尾门结构优化，将门肚结构设计成V型以及采用W型筋条，优化后的仿真结果如图10和图11所示，复合材料尾门最大应变0.128，最大变形量169.7 mm，满足要求。
采用PP-T20和PP-LGF40材料的尾门与钢制尾门在后碰方面的性能相当，但是质量减轻了2.585 kg，减重比例达到35.3%，同时零件数量由15个减为6个，节约总装工时1 000 s。
受限于进口的原材料以及生产工艺，尽管复合材料尾门模具相对于传统钣金件尾门的模具成本要低，但是采用复合材料的成本为传统钣金件的3～5倍，导致尾门总成相比于钣金件尾门成本高。随着生产工艺的优化以及原材料的国产化，复合材料尾门的成本将会逐步降低，未来复合材料尾门将会大规模应用[5]
获取更多评论