一種高性能復合材料后背門的設計研究

周甘華 梁展 陳國慶 朱浩

摘 要：汽車輕量化能節約原材料、單位汽車能耗，增加純電的續駛里程。復合材料密度小、強度高，兼有良好的減震性、耐蝕性等特點，在汽車輕量化設計上顯示出無可比擬的優勢。本文探討一種高性能復合材料的后背門輕量化集成設計，采用功能-材料-結構一體化的設計方法，在確保零部件性能滿足設計標準的前提下，使產品質量最小化。

關鍵詞：汽車；輕量化；高性能復合材料；后背門；

1.引言

近年來世界各國越來越重視節能環保，汽車的輕量化、低成本和電動化成為研究的熱點。其中輕量化和電動化是重點研究對象，輕量化是在確保性能的基礎上，節能化設計各總成零部件，持續優化車型譜。據統計整車總質量每增加10%，油耗將提高 6%～8%。國內研究人員將輕量化技術應用到新能源汽車上，成為目前節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，如采用塑料及其復合材料可減輕汽車零部件約40%的質量，可降低成本40%，因此對輕質材料的研究是汽車輕量化發展的趨勢。

本文將研究三個方面內容：基于后背門功能需求，研究復合材料是物理特性，選擇合適的材料；基于功能-材料-結構一體化設計平臺下的復合材料后背門結構設計研究；研究高可靠性、高精度、高性能的復合材料-復合材料、復合材料-鈑金的連接技術。

2. 高性能復合材料后背門的設計研究

1）研究方案：基于成熟的功能、材料、結構一體化設計平臺，開發復合材料一體化后背門。根據整車性能開發分解目標，研究制定復合材料的技術指標；依據汽車行駛中振動-扭轉-碰撞等多工況需求開發適用于復合材料部件之間、復合材料與金屬部件之間連接技術；以CAE仿真軟件為依托，結合試驗驗證，完成高可靠性、高精度、高性能的車用后背門總成開發，形成一套高性能復合材料后背門的評價規范。

2）研究路線：結合整車項目開發，復合材料取代金屬材料在汽車結構件上應用，需重新進行結構設計，這就需要對于原金屬件的性能指標及測試方法等進行詳細的調研，為復合材料后背門的設計提供相應的約束；根據汽車開發流程，研究制定復合材料后背門的技術要求、性能指標以及驗證方法和標準，最終實現滿足產業化應用（如圖1所示）。

3）研究內容：

① 材料選取研究

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

從上表格可以看出鋼板的彈性模量為復合材料的40倍，剛度為復合材料的2.4倍，因此需要通過結構設計達到相同剛度（如圖2）。

本項目經對比分析后背門內板將采用PP-LGF40材料，整車性能分解有強度要求的位置處通過CAE輔助優化結構及添加不同長度玻纖以達到與鋼板性能相當。

②基于功能-材料-結構一體化設計平臺下的復合材料后背門結構設計研究。

依據整車目標，滿足整車功能要求，后背門總成減重30%；根據鉸鏈、鎖體、氣彈簧的工作環境及車門密封和外板抗凹特性，利用成熟的功能-材料-結構一體化設計平臺建立后背門數字結構模型，基于CAE分析優化（如圖4-5所示）完成滿足結構強度、剛度和良好模流成型能力的后背門結構開發，適應一系列力學、尺寸、安裝等方面應用需求，并考慮承載部件快速、精確安裝及拆卸，確保維修方便性。

③開發高可靠性、高精度、高性能復合材料-復合材料、復合材料-鈑金的連接技術。

在保證重要附件安裝點位置處增加的加強板，傳統鈑金（如圖6）沖壓工藝時需通過點焊完成所有連接；而采用復合材料時（如圖7）， 則可直接采用嵌件注塑與內板一體注塑集成總成，直接省掉安裝、焊接的環節。

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

3.結論

高性能復合材料的應用為整車重量的降低打開了一個明確的窗口，通過該方案的實施，將完全掌握復合材料在汽車上的設計方案、開發、驗證，取得顯著成效：

（1）后背門總成模態可達到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，相比傳統鈑金結構，降低產品總成重量30%；

（3）復合材料的外覆蓋件可循環回收利用；獨特的車身結構減少了涂裝工藝，極大的減小環境影響；

（4）高性能復合材料的后背門總成實現模塊化供貨，使生產工藝簡化、縮短節拍，提高生產效率。

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