轻质结构发动机罩设计研究

收稿日期:2004-12-10作者简介:王宏雁(1962-),女,黑龙江哈尔滨人,副教授,工学博士.E -mail:why-sos@轻质结构发动机罩设计研究王宏雁1,高卫民2,潘玲玲1,刘春节1(1.同济大学新能源汽车工程中心,上海 200092; 2.泛亚汽车技术有限公司,上海 201201)摘要:以汽车发动机罩为例,结合材料特性、生产工艺、连接工艺等方面因素,设计四种不同材料发动机罩结构方案.采用拓扑方法优化、改进结构,并通过有限元结构模拟计算,比较分析并评价各方案.选择其中综合性能优势最为显著的复合材料结构方案进行试制并试验.通过对比模拟计算结果和试验结果,验证了复合材料结构方案的性能优越性.在轻量化方法、设计试验规范、选材与结构等方面,为汽车车身的轻量化研究探索了一条技术路线.关键词:发动机罩;轻量化;有限元结构分析中图分类号:U 461.91 文献标识码:A文章编号:0253-374X(2006)08-1098-06Lightweight Structure of Engine HoodWAN G Hongyan 1,GA O Weimin 2,PAN L ingling 1,L I U Chunj ie 1(1.Clean Energy Automotive Engineerin g Center,Tongji University,Shanghai 200092,China;2.Pan Asia Tech ni cal Automotive Center Co.Ltd.,Shanghai 201201,China)Abstract :Four motor hood structures of different materials are desig ned by taking lightw eight m aterial characteristics,technique of production and connection into consideration.After topology optimization these structures are analyzed and estimated by the finite element analysis(FEA)simulation results.T he carbon fiber reinforced plastic(CFRP)structure,w hose performance is the best among the four structures,is chosen for trial-producing and testing.The superior perform ance of CFRP structure is v alidated by a com parison study of test results and simulation results.In this paper the technical route of lightweight for car body com ponents is discussed in the aspects of the lightw eight method,design and test specification,material selection and structure desig n.Key words :motor hood;lig htweig ht;finite element analysis当对汽车,尤其是车身,进行轻量化研究时,常常最先取四门两盖作为研究对象.其中,轻质车门的结构复杂一些,所牵涉的因素也较多;而两盖(发动机罩和行李箱盖)结构和功能特点相似,较车门简单一些,选材原则和加工工艺也基本相同.故本文仅以尺寸较大发动机罩作为分析对象,采用轻量化材料设计结构方案,并应用有限元方法,对所设计的结构方案分析刚度并评价轻量化效果,以试验手段验证复合材料发动机罩的特性是否满足承载要求.随着轻量化作为汽车发展的主要方向之一,新型轻量化材料(高强钢、镁合金、铝合金、复合材料等)的使用不断增多,特别是高强钢、铝合金以及复合材料的使用比例,不断增加.世界多家汽车大公司均已掌握了应用超轻高强第34卷第8期2006年8月同济大学学报(自然科学版)JOU RNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NAT URAL SCIENCE)Vol.34No.8 Aug.2006度钢板制造汽车部件的相关工艺技术,诸如特殊的冲压工艺、激光焊接技术,尤其是用于制造行驶系部件的内高压成形技术等,使超轻高强度钢板的应用范围向制造汽车外覆盖件(如车门、发动机罩、行李厢盖板等)延伸.据称,这一类零部件若采用这种钢材制造,自身质量可减轻25%~30%.由于汽车外覆件冲压时有较大的变形和冲深,采用的高强度钢板抗拉强度相对较低.例如,铃木2003年发布的新型Wagon R 车身中,主要使用抗拉强度为440MPa 的高强度钢板,而A 柱、中柱和门柱则分别采用抗拉强度为590M Pa,980M Pa 和1470MPa 的高强度钢板,发动机罩则使用了抗拉强度为340MPa 的高强度钢板[1].铝合金在发动机罩上的应用也正逐步增多,应用最成功的是奥迪汽车公司.奥迪的轻铝车身技术是奥迪公司的一项核心技术,公司已在这一领域进行了长达20年的研究和开发,其精湛的应用技术远远领先于其他汽车厂家.奥迪A8和A2在全球各著名协会和专业媒体的评比中屡获殊荣,至今已赢得40多项大奖.日本美洲豹(Jaguar)也在从事全铝车身的开发和应用,2003年6月开始销售全铝车身的顶级轿车XJ.除此之外,丰田新皇冠、梅赛德斯-奔驰新E 级车、标致3074P 的发动机罩,均采用了铝合金材料[2].复合材料被誉为/21世纪新材料0.目前复合材料产品在国际上,尤其在美国正在迅速发展.该技术的特点是投资少,起步快,品种广泛,设计自由度大,模具更新换代方便,而且产量适应性强,几件、几十件到上万件都可以生产,是十分理想的工程用材料,也是其他生产技术所无法替代的.通用汽车公司从1987年以后投资了46亿美元,建了五条生产复合材料车身的生产线,年产175万辆塑胶车身,包括Saturn,Oidsmobil(7座),Lum ina 等.其复合材料面包车、小轿车、家用跑车等不仅品类齐全,而且拥有很高的市场占有率.1990年以后,世界第二大汽车公司福特和美国第三大汽车公司克莱斯勒,也都相继开发复合材料汽车.1991年,美国市场销售126万辆复合材料车身汽车;同年,西欧市场销售24万辆.目前,这类汽车正以每年25%的速率增加产量.2000年,在美国市场销售的1600万辆汽车中,复合材料汽车占20%以上.可见,在车用材料中,复合材料正占有越来越重要的地位[3].综合目前国外各大汽车公司轻质结构发动机罩的应用状况,现确定选择比较成熟的高强钢、铝合金板材和复合材料,作为轻量化发动机罩的结构材料.1 结构方案发动机罩的结构较车门简单,主要由内、外板和局部加强板组成.内板与外板通过翻边、粘接、滚焊等方式结合,局部加强板焊接或粘接在铰链和门锁安装处,以增加装配刚度.外板的形状要与整车一致,并有抗凹痕性和防腐性方面的要求;内板则要求较高的刚性,并冲有各种形状的窝穴、加强筋和孔洞,以便安装一些附件.1.1 四种结构方案研究所选用的结构原型为国产某车型的发动机罩,分析数模仅包括内板和外板,如图1所示.二者通过翻边滚压和粘合的方式连接为一体.图1 发动机罩三维数模Fig.1 CAD -Date of motor hood为了与原发动机罩对比并考虑实际应用性,除应用复合材料的方案外,其他三种方案最初都是仅改变内外板材料,而不改变结构形式.复合铺层材料是由连续相的基体与分散相的强化纤维组成的多相材料.最常见的复合铺层材料是通过基体与一些纤维材料胶结而成的[4].I -deas 软件Lam inates 模块可以用于设定复合铺层材料中基体、分散相的材料及特性.复合材料具有比强度、比模量高,化学稳定性优良,减摩、耐磨、自润滑性好,耐热性高等优点.一般常用的纤维复合材料的使用温度为100~200e ,还可降低噪音,可靠性好.复合材料方案因为考虑模具成本和生产工艺的第8期王宏雁,等:轻质结构发动机罩设计研究要求,在设计时确定采用碳纤维增强型复合材料Sandw ich 结构(CFRP),取消发动机罩内板,以PUR 泡沫增加碳纤维铺层材料的刚性和强度.PUR 泡沫厚度为10mm,上下碳纤维铺层分为1mm,总厚度为12mm [5].确定的四种结构方案如表1所示.表1 发动机罩结构方案Tab.1 Structure scheme of motor hood结构方案原型方案Ñ方案Ò方案Ó方案Ô外板0.8mm 低碳钢板0.75mm 高强钢板1.50mm 铝合金板1.5mm 铝合金板内板0.8mm 低碳钢板0.60mm 高强钢板0.75mm 高强钢板 1.5mm 铝合金板上下CFRP 层1mm,中间PUR 泡沫层10mm连接方式翻边、滚压、粘结翻边、滚压、粘结翻边、滚压、粘结翻边、滚压、粘结粘结1.2 材料力学参数对于刚度、强度等静力分析和模态分析,需要材料的三个基本参数:杨氏模量、泊松比、密度.所选定的高强钢、铝合金的三个基本的材料参数如下:钢 E =210GPa,L =0.3,Q =7.8g #cm -3铝 E =71GPa,L =0.33,Q = 2.7g #cm -3CFRP E 1=70GPa,E 2=70GPa,L 12=0.04,G 12=45GPa,Q =1.6g #cm -3PUR 泡沫 E 1=0.1GPa,E 2=0.1GPa,L 12=0.3,G 12=38MPa,Q =0.5g #cm -3复合材料结构见图2,碳纤维单层厚度为0.125mm,层数为8,铺层方式为[0b /90b /0b /90b ].整个Sandw ich 结构铺层方式在I -deas 软件Laminat 模块中设置完成[6].图2 复合材料铺层示意图Fig.2 Layout of CFRP in I -deas1.3 高强钢结构方案的改进对于高强度钢来说,主要是提高了材料的拉伸强度和硬度,并不会使结构的刚度提高,至少在采用有限元法进行静力分析时,体现不出其刚性的增强.因此,采用更薄的高强度钢板,而不改变其结构形式,很难获得较好的刚度性能.为了使高强钢结构方案保持或接近原结构,必须进行结构的改进.为了避免结构改进的盲目性,采用Optistruct 6.0进行拓扑优化.优化对象为发动机罩的内板,优化目标为体积最小,优化约束为所分析的三种工况(刚度分析)下的位移.初始情况下的内板见图3a,它是一个简单形状的曲面,中间区域为优化范围.内板与外板之间连接的区域不作为优化对象.优化结果(用单元密度表示)如图3b,密度较大的区域表明需要加强.为了清晰起见,图中隐去了单元密度值较小的区域.图3 高强钢内板的拓扑优化Fig.3 Optistruct optimization of inner plate考虑装配和冲压工艺因素,最终确定的高强钢内板结构如图4所示.图4 结构优化后的高强钢内板Fig.4 High strength steel plate after optimization2 计算工况参照U LSAC(ultralight steel auto closure,超轻1100同济大学学钢汽车覆盖件)[4]及其他汽车覆盖件分析采用的载荷和工况,确定分析以下四种工况,主要考查发动机罩的刚性和模态.为了比较结构方案的轻量化效果,原结构和三种新结构的载荷和工况相同.工况一:考查弯曲刚度,发动机铰链约束6自由度,在另一端的中间加垂直载荷20N.如图5所示.图5 工况一,弯曲Fig.5 Loadcase 1,bend工况二:考查侧向弯曲刚度,铰链以及另一端角分别约束6自由度,在另一端角施加垂直载荷20N.如图6所示.图6 工况二,侧向弯曲Fig.6 Loadcase 2,latera -l bend工况三:考查扭转刚度,铰链和另一端中间分别约束6自由度,在中间部位加10N 的力偶.如图7所示.图7 工况三,扭转Fig.7 Loadcase 3,torsion工况四:模态分析,获得第一阶模态频率.如图8所示.图8 工况四,模态Fig.8 Loadcase 4,modality3 计算结果分析的目的主要是考察结构方案的刚度和模态频率,应力云图这里不予给出,只将结果列于表中标明;又由于几种结构方案的变形形式在同一工况下一致,只存在数值的差异,因此这里只给出原钢质结构发动机罩在几种工况下的位移或特征向量云图.工况一,弯曲刚度位移云图见图9;工况二,侧向弯曲刚度位移云图见图10;工况三,扭转刚度位移云图见图11;工况四,模态频率及特征向量云图见图12.原结构发动机罩及四种改进结构方案的刚度及模态分析的数值结果见表2.图9 弯曲刚度Fig.9 Bendrigidity图10 侧向弯曲刚度Fig.10 Latera-l bendrigidity图11 扭转刚度Fig.11 Torsionrigidity图12 一阶模态Fig.12 First step of m odality1101 第8期王宏雁,等:轻质结构发动机罩设计研究表2 有限元分析结果Tab.2 Analysis results with FEM材料工况弯曲(F =20N)最大位移/mm最大应力/M Pa侧向弯曲(F =20N)最大位移/mm 最大应力/M Pa扭转(F =10N @2)最大位移/mm 最大应力/M Pa 模态模态一频率/Hz模态二频率/Hz原车门 3.7928.10.549.510.1311.3030.540.3高强钢 3.8448.40.518.500.1312.6034.348.3外铝内钢 3.8929.60.5810.300.11 3.8630.742.0全铝 3.9312.50.60 4.590.11 3.6639.450.6复合材料1.1740.00.2919.600.107.9636.647.54 方案评价4.1 结果分析根据有限元分析计算的结果,可以计算出刚度、第一阶模态和质量等主要的性能参数(见表3).其中,刚度定义为施加的力与最大位移的比值(各结构方案的施力点和最大位移的节点是一致的).图13为四种结构方案与原结构主要性能参数的折线图.表3 各结构方案的刚度、模态频率及质量对比Tab.3 Comparison of rigidity,frequency and weight with dif ferent structures材料弯曲刚度/(N #mm -1)侧向刚度/(N #mm -1)扭转刚度/(N #mm -1)第一阶模态/Hz质量/kg 原车门 5.2837.0476.9230.519.2高强钢 5.21(| 1.3%)39.22({5.9%)76.9234.315.3(|20.3%)外铝内钢 5.14(| 2.6%)34.48(| 6.9%)90.91({18.2%)30.714.7(|23.4%)全铝 5.09(| 3.6%)33.33(|10%)90.91({18.2%)39.412.3(|35.9%)复合材料17.09({223%)68.97({86%)100.00({30%)36.611.7(|38.8%)注:括号内箭头和百分数表示该性能提高或下降的百分比.图13 四种结构方案与原结构的主要性能参数对比Fig.13 Parameter comparison of f our structure schemes总体来说,弯曲刚度基本与原结构持平.采用了铝合金材料后,侧向刚度略有下降;从扭转刚度看,轻金属材料有优势,复合材料优势最明显;所有轻质结构发动机罩的模态频率均有所增加;质量减轻明显,在20%~40%之间.4.2 方案评价对于高强钢结构方案,其弯曲刚度为5.21N #mm -1,接近原结构的5.28N #mm -1;侧向刚度由原来的37.04N #mm -1提高到39.22N #mm -1;扭转刚度则和原结构相同;第一阶模态频率由30.5H z提高到34.3Hz;减重3.9kg.就刚度指标来说,略高于原结构,减重也达20.3%,而且高强钢的市场供应、冲压、焊接等加工工艺都比较成熟,是四种结构中较理想的轻量化结构方案.但是由于该方案更改了内板结构形式,势必影响到其他部件的安装和配合,因此,高强钢方案较适合新车型或对原车型有较大改动的情形.对于外铝内钢的结构方案,其弯曲刚度为5.14N #mm -1,也较接近原结构的弯曲刚度值5.28N #mm -1;侧向刚度为34.48N #mm -1,与原结构的37.04N #m m -1相比略有下降;扭转刚度有大幅提高,由76.92N #mm -1提高到90.91N #mm -1,增幅为18.2%;第一阶模态频率则和原结构基本相同;减重4.5kg.就刚度指标来说,略低于原结构,但是也在合理的范围内,减重比为23.4%,有很好的轻量化效果,而且内板采用0.75mm 厚的高强钢板,冲压工艺和原内板结构接近.由于没改变内板结构形式,这种方案从工艺上来说,有较好的实用性和可行性.对于全铝结构方案,其弯曲刚度为5.09N #1102同济大学学报(自然科学版)第34卷mm-1,在四种结构中最低,但是降低的幅度并不大,在5%以内;侧向刚度下降了10%;扭转刚度也增加了18.2%;第一阶模态频率显著提高,接近40 Hz;减重近6kg.就刚度指标来说,在四种结构中最低.但是其减重最显著,减重比约达36%.如果更改结构形式,有望得到较高的刚性.因此,该方案适合全铝车身的新车型或对原车型有较大改动的情形.对于复合材料结构方案,其弯曲刚度为17.09 N#mm-1,增幅明显;侧向刚度和扭转刚度也有较为明显的提高,分别提高86%和30%;第一阶模态频率提高至36.6H z;减重比也为四种结构方案中最大.从各项指标上看,复合材料是轻质发动机罩的最优选择,但由于其生产工艺和传统的金属材料完全不同,需配备全新的生产设备.考虑到一定的经济性和实用性,该方案适应于对原车型有较大改动的车型或者批量小的全新车型.综上所述,对于四种结构方案,复合材料方案无论从轻量化效果还是力学性能上看,具有明显的优势.如果克服实际生产中技术条件和经济成本等其他因素,复合材料轻质发动机舱盖为最佳选择,高强钢方案刚度指标较好,全铝结构具有一定的轻量化优势,而外铝内钢结构属于折中方案.4.3复合材料结构方案验证为了验证复合材料结构方案的可行性,在国外科研机构的技术支持下,进行了碳纤维复合材料发动机罩的试制和试验.试验工况为上述计算机模拟工况,所加载荷和约束条件相同.由于试验条件的限制,铰链固定点产生了一定程度的位移,增加了变形的位移量、试验测量误差和其他因素的干扰,试验结果和计算机模拟结果存在着一定的误差.但从表4结果比较中还是可以看出,复合材料发动机舱盖在弯曲、侧向弯曲以及扭转工况下的位移均低于原钢制零件,在减重效果达到38.8%的情况下,机械性能却明显优于原钢制零件,可见碳纤维复合材料性能的优异性.在成本因素上,虽然单位体积质量的塑料价格要比金属高(金属材料3~4美元#kg-1,塑料5~7美元#kg-1),但复合材料的质量是金属的1/5,而复合材料的增强纤维、增固物(占50%)是十分便宜的(1~2美元#kg-1),因此复合材料的价格与金属材料几乎相等,而整体质量却轻于金属本身[7].表4复合材料与钢制零件试验结果比较Tab.4Test comparison between C FPR and steel参数原钢制零件CFRP复合材料结果比较质量/kg19.211.76|38.8%弯曲(位移)/mm7.5 3.50{38.8%侧向弯曲(位移)/mm 6.8 4.80{29.4%扭转(位移)/mm 1.5 1.5005结语汽车轻量化已是大势所趋.笔者从轻量化角度出发,应用轻质材料和改进结构,以发动机罩为例,共提出了四种轻量化方案,并通过计算机模拟分析和样件试验的方法,验证了方案的可行性.可以看出,采用复合材料进行车身零部件的轻量化,优势最明显.然而,对于结构方案的评价主要是从力学性能和轻量化效果方面进行的,对于实际生产,还需要结合经济性和技术条件等因素具体分析.参考文献:[1]王宏雁.轻量化技术路线研究之四门两盖总结报告[R].上海:上海汽车工程研究院,2004.WANG Hongyan.Summarize report on car doors and hoods of lightw eight technical route research[R].Shanghai:Shanghai Au-tomotive Engineering Academy,2004.[2]陈关龙,朱平.轻量化技术路线研究之车身总结报告[R].上海:上海汽车工程研究院,2004.CHEN Guanlong,ZH U Ping.Summarize report on car body of lightw eight technical route research[R].Shanghai:Shanghai Au-tomotive Engineering Academy,2004.[3]徐少英.轻量化车门的设计[D].上海:同济大学汽车学院,2001.XU S haoyi ng.Lightw eight design of car door[D].Shanghai: School of Automotive Engineering,T ongji Universi ty,2001. 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