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汽車內(nèi)飾塑料尾門性能驗(yàn)證

2020-05-21 23:46:25·  來源：車圈沒有圈  
　
汽車的輕量化是節(jié)能減排，降低成本的有效手段，是汽車廠商與零部件公司不斷追求的目標(biāo)。汽車尾門作為汽車的重要部件之一，零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前常用的材料
汽車的輕量化是節(jié)能減排，降低成本的有效手段，是汽車廠商與零部件公司不斷追求的目標(biāo)。汽車尾門作為汽車的重要部件之一，零件數(shù)量多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，目前常用的材料為鋼板。采用低密度材料是尾門減重的有效方法，如鋁合金材料尾門與塑料材料尾門。塑料尾門的常用材料有SMC、GMT、PP+LGF等,本文講述的塑料尾門，內(nèi)板材料為SMC。

典型的塑料尾門如下圖2所示，主要有塑料尾門內(nèi)板、塑料尾門.上部外板(或擾流板)、塑料尾門下板、尾門玻璃、鉸鏈金屬加強(qiáng)板、氣撐金屬加強(qiáng)板、鎖扣加強(qiáng)板及尾門其它附件組成。其中尾門內(nèi)板和上部外板(或擾流板)的常用材料為SMC或PP+LGF，通過強(qiáng)力膠水分別和尾門玻璃和尾門下部外板連接。由于尾門下部外板是外觀零件，要求塑料材料外觀噴涂性能好，一般用PP材料。與金屬尾門(如下圖2所示)相比，塑料尾門的優(yōu)勢(shì)主要有質(zhì)量輕、零件少、集成度高、不易生銹、成本較低。

塑料材料的一些性能暫時(shí)無法和鋼板材料相比(如拉伸模量、斷裂強(qiáng)度)，因而塑料化尾門挑戰(zhàn)之一是在保證在產(chǎn)品重量降低的前提下仍能滿足金屬尾門的技術(shù)要求。從大的方面來說尾門技術(shù)要求主要包括強(qiáng)度、剛度、模態(tài)、NVH、碰撞、疲勞壽命等要求。

 
1 塑料尾門的有限元模型

使用HyperMesh軟件的ABAQUS模板建立塑料尾門的有限元模型，其中金屬加強(qiáng)版使用實(shí)體單元，單元尺寸2mm;橡膠緩沖塊與橡膠密封等使用Spring單元模擬，其剛度值可以通過物理試驗(yàn)測(cè)得;雨刮器總成、尾燈、鎖扣等使用Mass單元模擬，分別在其重心處賦予實(shí)際的質(zhì)量:螺栓連接使用Beam單元模擬，并釋放螺栓軸旋轉(zhuǎn)方向自由度;膠水連接使用實(shí)體單元;鉸鏈?zhǔn)褂肊quation模擬，釋放尾門旋轉(zhuǎn)方向的自由度，保證尾門能自由旋轉(zhuǎn);尾門內(nèi)板、外板、玻璃等薄壁大面的零件均使用Shell單元模擬,平均尺為6mm,可能產(chǎn)生應(yīng)力集中的區(qū)域進(jìn)行細(xì)化到2mm。完成后的塑料尾門的有限元模型見圖3。

 
2 塑料尾門的優(yōu)化分析

為了確保塑料尾門的性能，對(duì)其定義了多達(dá)十幾種不同工況的技術(shù)要求，這些工況分別涵蓋了塑料尾門的剛度要求、強(qiáng)度要求及模態(tài)要求。對(duì)尾門的優(yōu)化分析主要包括四步:

1)建立有限元模型，分別對(duì)每一種工況進(jìn)行計(jì)算，確定最難滿足設(shè)計(jì)要求的工況:

2)運(yùn)用OptiStruct 軟件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。由于每種工況的邊界條件有所差異，網(wǎng)格模型也不盡相同，不適合在同一個(gè)拓?fù)鋬?yōu)化模中定義所有的分析工況，本文是針對(duì)每一種工況分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算。綜合所有的拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算結(jié)果，再結(jié)合裝配、工藝等實(shí)際情況，初步確定尾門SMC內(nèi)板的壁厚分布、加強(qiáng)筋分布與采用的斷面形狀。

3)針對(duì)最難滿足技術(shù)要求的典型工況，運(yùn)用HyperStudy軟件的優(yōu)化功能對(duì)尾門SMC內(nèi)板各區(qū)域進(jìn)行詳細(xì)的壁厚優(yōu)化，獲得合理的壁厚分布:

4)重新驗(yàn)算所有工況，檢查結(jié)果是否滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化分析流程圖如圖4所示。

 
下文以最難滿足技術(shù)要求的典型工況(Wiper motor mounting surface stifness) 為例，展示尾門SMC內(nèi)板的優(yōu)化過程。

2.1 拓?fù)鋬?yōu)化分析

圖5是塑料尾門某工況(Wiper motor mounting surface stiffness)的CAE模型。將與鉸鏈、尾門鎖相連接的車身簡(jiǎn)化成剛性體,進(jìn)行全約束。金屬鉸鏈需釋放Y方向的旋轉(zhuǎn)自由度,以確保尾門能繞車身自由旋轉(zhuǎn)。

在雨刮器總成的重心位置沿整車X方向施加100N的載荷，要求變形量小于0.2mm。

 
2.1 1 優(yōu)化空間

塑料尾門SMC內(nèi)板是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重點(diǎn)，將膠粘、螺栓等連接區(qū)域應(yīng)定為非設(shè)計(jì)區(qū)域，其它定位為設(shè)計(jì)區(qū)域。如圖6所示，棕黃色區(qū)域?yàn)樵O(shè)計(jì)區(qū)域，定義為設(shè)計(jì)變量，綠色為非設(shè)計(jì)區(qū)域，即在拓?fù)鋬?yōu)化過程中壁厚保持不變。

2.1 2 約束函數(shù)的設(shè)置

定義響應(yīng):

1)定義設(shè)計(jì)變量區(qū)域的總體積(Volume)為響應(yīng)Vol;

2)在尾門雨刮器總成的重心位置定義一個(gè)節(jié)點(diǎn)，用RBE2連接至雨刮器電機(jī)在尾門的安裝孔，將這一節(jié)點(diǎn)的X向位移(Static Displacement)定義為響應(yīng)Disp。

定義約束條件和目標(biāo)函數(shù):目標(biāo)是材料的最優(yōu)分布，故目標(biāo)函數(shù)為響應(yīng)Vol的最小化;約束條件為響應(yīng)Disp的上限為0. 20mm。

2.1 3 優(yōu)化結(jié)果分析

使用OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化分析功能進(jìn)行優(yōu)化，經(jīng)過多步迭代后得出優(yōu)化模型，在HyperVeiw中查看計(jì)算結(jié)果，圖7為上述工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果后的材料分布云圖。其中，圖中紅色和綠色表示該區(qū)域需要分配更多的材料，藍(lán)色表示需要分配較少的材料。

限于篇幅，圖8給出比較典型分析工況的拓?fù)鋬?yōu)化分析結(jié)果。綜合所有分析工況拓?fù)鋬?yōu)化分析的結(jié)果，確認(rèn)尾門SMC內(nèi)板以下區(qū)域需要重點(diǎn)加強(qiáng)，如圖8所示。

內(nèi)板與金屬鉸鏈連接區(qū)域(區(qū)域1)

內(nèi)板與雨刮器總成連接區(qū)域(區(qū)域2)

內(nèi)板與氣撐支架連接區(qū)域(區(qū)域3)

內(nèi)板與鎖扣連接區(qū)域(區(qū)域4)

尾門玻璃左右兩側(cè)的內(nèi)板區(qū)域(區(qū)域5)

 
加強(qiáng)的方式主要包括:

1）局部區(qū)域壁厚增加;

2）增加加強(qiáng)筋;

3）改變結(jié)構(gòu)斷面，增加抗彎模量。更改后的尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)與初步的壁厚分布分別如下圖9于圖10所示。對(duì)于Wipersifness工況經(jīng)過重新驗(yàn)算，當(dāng)位于雨刮器總成質(zhì)心施加100N，施力點(diǎn)X向的最大位移為0.162mm(見圖11) , 雖然滿足技術(shù)要求(S0. 2mm),但SMC內(nèi)板偏重(13.5Kg), 有進(jìn)一步優(yōu)化的空間。

 
2.2 多目標(biāo)尺寸優(yōu)化分析

HyperStudy是AltairHyperWorks軟件包中的一款主要產(chǎn)品,它主要用于CAE環(huán)境下DOE(試驗(yàn)設(shè)計(jì))，優(yōu)化及隨機(jī)分析研究，可與各種外部求解器(如Abaqus, Radioss等)合并使用。

2.2 1 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

利用HyperStudy對(duì)SMC尾門內(nèi)板進(jìn)行尺寸優(yōu)化，取圖12所示的六個(gè)壁厚為設(shè)計(jì)變量，雨刮器總成質(zhì)心的X向位移為約束條件，整個(gè)產(chǎn)品的質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型如下:

 
按照技術(shù)要求，該工況下尾門雨刮器總成重心位置施加100N的力，X向最大變形量不得超過0.2mm,為留有安全余量，優(yōu)化的約束條件定義為:

Max | X displacement | (Node593280)≤0. 18mm

2.2 2 優(yōu)化結(jié)果

整個(gè)優(yōu)化過程進(jìn)行了150次迭代，即相當(dāng)于軟件自動(dòng)對(duì)150次不同壁厚的組合方案進(jìn)行了計(jì)算。目標(biāo)函數(shù)和約束條件的變化分別如圖13和圖14與所示。從圖13可以看出，當(dāng)?shù)M(jìn)行到第150次

整個(gè)尾門的質(zhì)量為30.97Kg,對(duì)應(yīng)的雨刮器中心X向最大變形為0.183mm。

 
提取第150次迭代的有限元模型和計(jì)算結(jié)果，并和初始設(shè)計(jì)變量與計(jì)算結(jié)果比較如下表1所示:

 
由上表可知，經(jīng)過壁厚優(yōu)化，SMC內(nèi)板質(zhì)量由初始的13.5Kg下降到10.2Kg;雨刮器總成質(zhì)心X向最大變形量則由初始的0.162mm上升到0.183mm

雖然沒有滿足約束條件(Max X displacement≤0. 18mm)

但仍滿足技術(shù)要求(X向最大變形量不大于0.2mm)。

3 結(jié)論

使用OptiStruct的拓?fù)鋬?yōu)化分析功能，能快速發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的載荷傳遞路徑，從而針對(duì)性的進(jìn)行結(jié)構(gòu)加強(qiáng)與材料分配;HyperStudy的優(yōu)化功能則能快速確定產(chǎn)品壁厚的合理分配。壁厚優(yōu)化后的SMC內(nèi)板質(zhì)量為10.2Kg,比初始壁厚的內(nèi)板質(zhì)量下降了3.3Kg。通過拓?fù)鋬?yōu)化和壁厚優(yōu)化,使得產(chǎn)品結(jié)構(gòu)在滿足技術(shù)要求的前提下，達(dá)到產(chǎn)品輕量化的目的。

與金屬尾門總成質(zhì)量相比，在產(chǎn)品剛度、強(qiáng)度、模態(tài)的技術(shù)要求不降低的前提下，優(yōu)化后塑料尾門總成質(zhì)量下降了7.1Kg,下降幅度達(dá)27%。
 
 
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