玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料前端模塊設(shè)計(jì)與優(yōu)化

楊蔚

摘 要：前端模塊作為汽車前端的重要零部件，具有輕量化，集成化，模塊化的諸多優(yōu)勢(shì)。本文針對(duì)某新車型的前端模塊開(kāi)發(fā)，研究前端模塊與前端框架設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，玻纖增強(qiáng)材料的材料力學(xué)特性和成型工藝，從整車開(kāi)發(fā)的流程出發(fā)，系統(tǒng)的分析前端模塊設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各種設(shè)計(jì)邊界以及內(nèi)在的系統(tǒng)匹配關(guān)鍵技術(shù)，提出快速設(shè)計(jì)技術(shù)與流程方法。最終完成設(shè)計(jì)的前端模塊，在滿足結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，相比傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)減重42%。

關(guān)鍵詞：輕量化;玻纖增強(qiáng)材料;前端模塊

1 引言

近年來(lái)，環(huán)保要求的提升，各個(gè)國(guó)家制定日益嚴(yán)格的燃油車排放法規(guī)。中國(guó)工信部2014年1月1日開(kāi)始實(shí)施第三階段油耗限值標(biāo)準(zhǔn)，要求乘用車百公里油耗低于6.9升，并且乘用車企平均油耗2020年將進(jìn)一步降至每百公里5升[1]。日趨嚴(yán)苛的油耗標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)國(guó)六排放標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，主機(jī)廠紛紛改進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)排放，實(shí)施整車輕量化。

據(jù)報(bào)道：汽車減重10%，燃油消耗降低6%-8%;對(duì)應(yīng)歐盟CO2排放指標(biāo)，汽車自身每減少100kg，CO2排放可降低10g/km。采用如鋁合金、復(fù)合材料等輕量化的材料，以及進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)是輕量化的兩大技術(shù)手段。先進(jìn)復(fù)合材料，如玻璃纖維增強(qiáng)塑料、碳纖維材料等，具有比強(qiáng)度高、比彈性模量高、尺寸精度優(yōu)良、耐熱性和耐磨性好，成型性能優(yōu)良、抗耐疲勞性好、設(shè)計(jì)自由度大等優(yōu)點(diǎn)，使得它在汽車與機(jī)械制造行業(yè)有很好的應(yīng)用前景，開(kāi)始逐步替代金屬材料[2]。

汽車前端模塊是位于發(fā)動(dòng)機(jī)艙前端的模塊化結(jié)構(gòu)，集成了散熱器、冷凝器、發(fā)罩鎖、喇叭、前大燈等眾多部件，這些部件通過(guò)前端框架進(jìn)行集成，復(fù)合材料的前端框架具有重量輕、零件數(shù)量少的特點(diǎn)。1992年大眾率先在大眾與奧迪車系系列上實(shí)現(xiàn)前端模塊。寶馬Mini2002款采用30%的長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)PP復(fù)合材料替代鈑金結(jié)構(gòu)，將前部20零部件總成設(shè)計(jì)成模塊化結(jié)構(gòu)，減重帶來(lái)最終減排的綜合指數(shù)降低了2.7%[3][4][5]。

2 玻璃纖維增強(qiáng)材料特性和注塑成型工藝

2.1 玻璃纖維熱塑型塑料的材料性能

玻璃纖維熱塑性材料，根據(jù)在原材料中添加的玻璃纖維的長(zhǎng)度，分為長(zhǎng)玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料料與短玻璃纖維增強(qiáng)熱塑性塑料。短玻璃纖維粒子長(zhǎng)度約4mm，玻纖長(zhǎng)度0.2-0.4mm，長(zhǎng)玻纖粒子長(zhǎng)度12mm，纖維長(zhǎng)度12mm，如圖1與圖2所示。纖維長(zhǎng)度的增加會(huì)提高復(fù)合材料的強(qiáng)度，所以長(zhǎng)玻纖材料比短玻纖材料強(qiáng)度高[6]。長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)熱塑性（LFT）材料零件其剛度和強(qiáng)度高明顯提高，具備更好的抗沖擊性能與疲勞耐久性能，并且零件成型精度高，尺寸穩(wěn)定。常見(jiàn)的玻纖含量為20%-60%，王在富等人[7]研究了不同的玻纖含量的材料性能差異，包括拉伸模量、拉伸強(qiáng)度、彎曲模量、彎曲強(qiáng)度、缺口沖擊強(qiáng)度與斷裂伸長(zhǎng)率等，通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試研究表明，綜合性能最佳的是玻纖含量GF40%的LFT-D材料。

目前汽車零部件常用的材料是PP-GF或者PA6-GF。從材料的綜合性能來(lái)看，PA6-GF的材料性能高于PP-GF，但是其材料價(jià)格更高。

2.2 玻璃纖維熱塑型塑料的注塑工藝要求

全塑的前端模塊，由于其功能與性能要求必須滿足整車的布置以及使用條件。除了要滿足塑料件的各種物理、化學(xué)性能以及承載要求外，經(jīng)過(guò)大量的工程實(shí)踐，總結(jié)工藝設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)如下：

1.形狀要求：應(yīng)該盡量避免開(kāi)側(cè)孔，或者設(shè)計(jì)側(cè)壁內(nèi)表面凹凸形狀。這兩種結(jié)構(gòu)成型困難，需要側(cè)向的分型和抽芯機(jī)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)側(cè)孔的制造，模具結(jié)構(gòu)會(huì)變得很復(fù)雜，成本也大幅度上升。

2.脫模斜度要求：脫模斜度可以防止塑脫模過(guò)程中劃傷零件表面，合理塑件脫模斜度的大小，與塑件的材料、形狀、壁厚、收縮率、摩擦系數(shù)相關(guān)。建議選擇的脫模斜度為1.5度。

3.壁厚設(shè)計(jì)：根據(jù)塑件外形尺寸及材料選擇合理選擇塑件的壁厚。汽車行業(yè)中現(xiàn)有車型中大型塑料零件推薦壁厚參考值為2.2mm～4.5mm，前端模塊主體壁厚的設(shè)計(jì)為3.0mm

4.加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)：加強(qiáng)筋可以在不增加零件的壁厚，提升其強(qiáng)度和剛度，避免塑料件的變形翹曲。還可以改善材料的流動(dòng)性，降低塑料的充模阻力，減少內(nèi)應(yīng)力與殘余應(yīng)力，避免氣孔、縮孔、凹陷等制造缺陷。加強(qiáng)筋的厚度設(shè)計(jì)原則是，一般應(yīng)小于該處壁厚，一般取0.5-0.7t，由于前端模塊為結(jié)構(gòu)件加強(qiáng)筋壁厚選2.0～3.0mm。

5.圓角設(shè)計(jì)：在拐角、尖銳邊、材料厚薄交接處等位置，采用圓角是避免應(yīng)力集中最直接最有效的方式。

3 前端模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 前端模塊的裝配工藝

前端模塊采用模塊化思路，把原來(lái)分散的總成，包括前端框架、散熱器總成、冷凝器總成、發(fā)罩鎖總成、中冷器總成、前放撞梁等進(jìn)行集成設(shè)計(jì)，相應(yīng)會(huì)出現(xiàn)2種裝配策略，如圖3所示，第一種是前端模塊在廠內(nèi)分裝，前端模塊總成直接通過(guò)輸送線上總裝。第二種是由供應(yīng)商分裝，前端模塊總成運(yùn)送至總裝車間總裝。第一種方式的弊端是必須在總裝車間布局前端模塊分裝線。而總裝車間往往出現(xiàn)空間不足，場(chǎng)地緊張的情況。所以本項(xiàng)目選擇第二種方式作為分總成的裝配工藝，通過(guò)提升前端模塊供應(yīng)商的制造與質(zhì)量控制水平來(lái)滿足其制造要求。

3.2 前端模塊的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的構(gòu)成前端框架的典型斷面有三種：圖4所示。

1）L型斷面，L斷面通常用于前端框架空間要求較高的車型，該種斷面的優(yōu)勢(shì)是可以增加設(shè)計(jì)空間，多用于前端框架上部與兩側(cè)，L型斷面用于前端框架上部，主要承擔(dān)的載荷是Z方向發(fā)罩鎖、緩沖膠塞的載荷，所以通常會(huì)增加加三角形加強(qiáng)肋。L型斷面用于兩側(cè)，主要承擔(dān)Z方向的載荷，所以會(huì)適當(dāng)增加Z在方向的加強(qiáng)肋，同時(shí)可以增加三角肋用于提升抗扭轉(zhuǎn)的能力。

2）U型斷面要求設(shè)計(jì)空間足夠，而對(duì)前端框架剛度、強(qiáng)度要求較高的車型。U斷面的優(yōu)勢(shì)是其承載能力強(qiáng)，采用該斷面的結(jié)構(gòu)剛度與強(qiáng)度較大。劣勢(shì)是斷面必須有足夠的設(shè)計(jì)空間。在U型斷面的內(nèi)部，通常會(huì)增加加強(qiáng)肋，以提升斷面的抗扭轉(zhuǎn)能力。

3）H型斷面同樣要求設(shè)計(jì)空間足夠，H型斷面可以提供足夠的剛度、強(qiáng)度。由于H型斷面可以從2側(cè)脫模，并且在2側(cè)都增加加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，所以其承載能力較強(qiáng)。其缺點(diǎn)是設(shè)計(jì)空間要求大，零件重。但是H型斷面可以用于前端框架的小加強(qiáng)梁，另外H型斷面可以采用大減重孔的設(shè)計(jì)。

三種斷面可以衍生出各種不同尺寸與加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的斷面形式，各主機(jī)廠的前端框架都是以L型斷面設(shè)計(jì)為主，綜合使用其他2種斷面，以達(dá)到性能與重量的平衡。

4 前端框架性能分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

4.1 分析模型建立

本課題研究以殼單元模型進(jìn)行分析，采用二維四邊形殼單元（CQUAD4）和三角形殼單元（CTRTA3）進(jìn)行劃分網(wǎng)格，如圖4.1所示，鈑金結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸采用10mm×10mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)5939，單元5324，前端框架網(wǎng)格尺寸采用3mm×3mm，節(jié)點(diǎn)總數(shù)117625，單元121502，總結(jié)點(diǎn)數(shù)135753，單元數(shù)138604。

4.2 性能分析工況

在總結(jié)了鈑金前部結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合深度調(diào)研了多款車型的前端模塊，測(cè)試部分端模塊的性能，再綜合根據(jù)整車要求。

4.3 性能分析結(jié)果及討論

前端框架作為前部重要的支撐與承載系統(tǒng)，汽車在行駛過(guò)程中受到道路、發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、電子扇轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生振動(dòng)的激勵(lì)，所以前端模塊的模態(tài)分析是首先要關(guān)注的性能指標(biāo)，經(jīng)過(guò)分析，前端框架一階模態(tài)為37.15HZ，高于目標(biāo)頻率≥35Hz的要求，見(jiàn)圖6。

發(fā)罩關(guān)閉時(shí)對(duì)發(fā)罩鎖安裝點(diǎn)形成沖擊力，發(fā)罩關(guān)閉過(guò)程中，前端框架變形不能太大，否則會(huì)導(dǎo)致發(fā)罩關(guān)閉不上的問(wèn)題;車輛行駛過(guò)程中，發(fā)罩機(jī)罩會(huì)受到前格柵進(jìn)風(fēng)導(dǎo)致的向上的拉力。沿鎖扣受力方向施加-/+Z向600N的力，要求彈性變形量<1mm，最大應(yīng)力不超過(guò)120Mpa。分析結(jié)果顯示，鎖扣安裝點(diǎn)變形1.05mm，最大應(yīng)力12.73Mpa，滿足要求，見(jiàn)圖7。

5 結(jié)論

本文以某車型項(xiàng)目作為基礎(chǔ)，將鈑金結(jié)構(gòu)的前部結(jié)構(gòu)改成框架框架，前端框架采用PP+30%LGF 復(fù)合材料，并將原有車型的前部各個(gè)系統(tǒng)零件的裝配方式進(jìn)行模塊化與集成化設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)前端模塊總成的設(shè)計(jì)。主要結(jié)論如下：

1）研究前端模塊的集成方式，選擇合理的制造工藝，降低成本，采用通快速結(jié)構(gòu)選型技術(shù)與流程。完成設(shè)計(jì)的前端框架重量4.18kg，相比于原來(lái)的鈑金設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減重3.04kg，減重比例超過(guò)42%。

2）建立了前端模塊總成11項(xiàng)目關(guān)鍵性能指標(biāo)項(xiàng)，進(jìn)行了有限元仿真分析，系統(tǒng)性的評(píng)價(jià)了前端模塊的各項(xiàng)性能指標(biāo)，并針對(duì)其不滿足項(xiàng)進(jìn)行根本原因的分析，提出優(yōu)化解決方案，滿足了整車各工況的性能要求。

項(xiàng)目資助信息：

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃（柳科計(jì)字2017第19號(hào)）資助項(xiàng)目。項(xiàng)目名稱：汽車?yán)w維增強(qiáng)塑料覆蓋件設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（2017AA10104）

參考文獻(xiàn)：

[1]邵蕊，趙宇龍.2020年百公里5L油耗能實(shí)現(xiàn)嗎.汽車工藝師.2014.

[2]胡正華.汽車用塑料新材料發(fā)展概況[J].塑料，200（33）：67.

[3] 杭飛. 復(fù)合結(jié)構(gòu)的汽車前端模塊研究[J].上海汽車，2011.12，22-24.

[4] 盛治華，安康等，長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)型材料在汽車前端模塊中的應(yīng)用[J]，工藝材料，2013（9），55-57.

[5]蔣鼎豐.GMT汽車前端模塊框架制造技術(shù)[J].汽車與配件，2006（49）：30-31.

[6]方鯤，吳絲竹，張國(guó)榮，等.LGF 增強(qiáng)增韌PA66汽車專用料的制備及力學(xué)性能研究[J].工程塑料應(yīng)用，2009，37（9）：37-39.

[7]王在富，歐陽(yáng)杰等.LFT-D生產(chǎn)工藝以及復(fù)合材料力學(xué)性能分析[J].機(jī)械制造與自動(dòng)化.Apr 2016（4），45（2）：47- 49，80.