一種高性能復(fù)合材料后背門的設(shè)計(jì)研究

周甘華 梁展 陳國慶 朱浩

摘 要：汽車輕量化能節(jié)約原材料、單位汽車能耗，增加純電的續(xù)駛里程。復(fù)合材料密度小、強(qiáng)度高，兼有良好的減震性、耐蝕性等特點(diǎn)，在汽車輕量化設(shè)計(jì)上顯示出無可比擬的優(yōu)勢(shì)。本文探討一種高性能復(fù)合材料的后背門輕量化集成設(shè)計(jì)，采用功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化的設(shè)計(jì)方法，在確保零部件性能滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，使產(chǎn)品質(zhì)量最小化。

關(guān)鍵詞：汽車；輕量化；高性能復(fù)合材料；后背門；

1.引言

近年來世界各國越來越重視節(jié)能環(huán)保，汽車的輕量化、低成本和電動(dòng)化成為研究的熱點(diǎn)。其中輕量化和電動(dòng)化是重點(diǎn)研究對(duì)象，輕量化是在確保性能的基礎(chǔ)上，節(jié)能化設(shè)計(jì)各總成零部件，持續(xù)優(yōu)化車型譜。據(jù)統(tǒng)計(jì)整車總質(zhì)量每增加10%，油耗將提高 6%～8%。國內(nèi)研究人員將輕量化技術(shù)應(yīng)用到新能源汽車上，成為目前節(jié)省能源和降低排放的最有效的方法之一。汽車輕量化與使用材料密切相關(guān)，如采用塑料及其復(fù)合材料可減輕汽車零部件約40%的質(zhì)量，可降低成本40%，因此對(duì)輕質(zhì)材料的研究是汽車輕量化發(fā)展的趨勢(shì)。

本文將研究三個(gè)方面內(nèi)容：基于后背門功能需求，研究復(fù)合材料是物理特性，選擇合適的材料；基于功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)下的復(fù)合材料后背門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究；研究高可靠性、高精度、高性能的復(fù)合材料-復(fù)合材料、復(fù)合材料-鈑金的連接技術(shù)。

2. 高性能復(fù)合材料后背門的設(shè)計(jì)研究

1）研究方案：基于成熟的功能、材料、結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)，開發(fā)復(fù)合材料一體化后背門。根據(jù)整車性能開發(fā)分解目標(biāo)，研究制定復(fù)合材料的技術(shù)指標(biāo)；依據(jù)汽車行駛中振動(dòng)-扭轉(zhuǎn)-碰撞等多工況需求開發(fā)適用于復(fù)合材料部件之間、復(fù)合材料與金屬部件之間連接技術(shù)；以CAE仿真軟件為依托，結(jié)合試驗(yàn)驗(yàn)證，完成高可靠性、高精度、高性能的車用后背門總成開發(fā)，形成一套高性能復(fù)合材料后背門的評(píng)價(jià)規(guī)范。

2）研究路線：結(jié)合整車項(xiàng)目開發(fā)，復(fù)合材料取代金屬材料在汽車結(jié)構(gòu)件上應(yīng)用，需重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這就需要對(duì)于原金屬件的性能指標(biāo)及測(cè)試方法等進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)研，為復(fù)合材料后背門的設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的約束；根據(jù)汽車開發(fā)流程，研究制定復(fù)合材料后背門的技術(shù)要求、性能指標(biāo)以及驗(yàn)證方法和標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)滿足產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用（如圖1所示）。

3）研究?jī)?nèi)容：

① 材料選取研究

基于后背門在整車的功能（開啟/關(guān)閉、密封、氣彈簧支撐等）需求，分析復(fù)合材料的物理特性與傳統(tǒng)鋼板的差異對(duì)比（如表1），選取合適的復(fù)合材料。

從上表格可以看出鋼板的彈性模量為復(fù)合材料的40倍，剛度為復(fù)合材料的2.4倍，因此需要通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)達(dá)到相同剛度（如圖2）。

本項(xiàng)目經(jīng)對(duì)比分析后背門內(nèi)板將采用PP-LGF40材料，整車性能分解有強(qiáng)度要求的位置處通過CAE輔助優(yōu)化結(jié)構(gòu)及添加不同長(zhǎng)度玻纖以達(dá)到與鋼板性能相當(dāng)。

②基于功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)下的復(fù)合材料后背門結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

依據(jù)整車目標(biāo)，滿足整車功能要求，后背門總成減重30%；根據(jù)鉸鏈、鎖體、氣彈簧的工作環(huán)境及車門密封和外板抗凹特性，利用成熟的功能-材料-結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)平臺(tái)建立后背門數(shù)字結(jié)構(gòu)模型，基于CAE分析優(yōu)化（如圖4-5所示）完成滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和良好模流成型能力的后背門結(jié)構(gòu)開發(fā)，適應(yīng)一系列力學(xué)、尺寸、安裝等方面應(yīng)用需求，并考慮承載部件快速、精確安裝及拆卸，確保維修方便性。

③開發(fā)高可靠性、高精度、高性能復(fù)合材料-復(fù)合材料、復(fù)合材料-鈑金的連接技術(shù)。

在保證重要附件安裝點(diǎn)位置處增加的加強(qiáng)板，傳統(tǒng)鈑金（如圖6）沖壓工藝時(shí)需通過點(diǎn)焊完成所有連接；而采用復(fù)合材料時(shí)（如圖7）， 則可直接采用嵌件注塑與內(nèi)板一體注塑集成總成，直接省掉安裝、焊接的環(huán)節(jié)。

后背門內(nèi)板嵌件注塑與功能鈑金件螺接后形成后背門內(nèi)板總成，內(nèi)板總成和外板總成膠接組成后背門總成。研究復(fù)合材料材料特性，選取合適的粘結(jié)劑和工藝處理，經(jīng)火焰處理提高復(fù)合材料活性，多輪驗(yàn)證優(yōu)化后最終獲得可靠的后背門總成（如圖8所示）。

3.結(jié)論

高性能復(fù)合材料的應(yīng)用為整車重量的降低打開了一個(gè)明確的窗口，通過該方案的實(shí)施，將完全掌握復(fù)合材料在汽車上的設(shè)計(jì)方案、開發(fā)、驗(yàn)證，取得顯著成效：

（1）后背門總成模態(tài)可達(dá)到35Hz，剛度大于30 n/mm，滿足整車性能要求；

（2）在滿足整車性能要求的前提下，相比傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)，降低產(chǎn)品總成重量30%；

（3）復(fù)合材料的外覆蓋件可循環(huán)回收利用；獨(dú)特的車身結(jié)構(gòu)減少了涂裝工藝，極大的減小環(huán)境影響；

（4）高性能復(fù)合材料的后背門總成實(shí)現(xiàn)模塊化供貨，使生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)化、縮短節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率。

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