鋁合金發動機罩蓋的優化設計

付燕鵬 葉瑜合 譚敦松

摘 要：文章以汽車輕量化材料鋁合金板材為例，通過鋁合金板材在發蓋上應用環境條件的討論，明確鋁合金發蓋的研究的意義。并通過鋁合金和傳統鋼制板材的材料參數對比研究，從發蓋扭轉剛度、抗凹性、模態、強度、行人保護等性能角度詳細剖析了鋁合金發蓋的設計要點和目標，總結關鍵影響因素并提出了一套綜合優化方案，為初始階段的鋁合金發蓋設計提供了一套可借鑒的方法。

關鍵詞：鋁合金發蓋；扭轉剛度；抗凹性；模態；強度；行人保護

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-107-04

Abstract： In this paper， discuss the aluminum alloy plate in the application of environmental conditions on the hood and understand its significance. Based on the comparison of the material parameters of aluminum alloy and traditional steel sheet， the design points and objectives of aluminum hood are analyzed in detail from the aspects of torsion stiffness， dent resistance， modal， strength and pedestrian protection. Influencing factors and put forward a set of comprehensive optimization scheme. For the initial stage of the aluminum hood design to provide a set of methods can be used.

Keywords： aluminum hood； torsion stiffness； dent resistance； modal； strength； pedestrian protection

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-107-04

引言

隨著全球汽車保有量的不斷增多和汽車工業的發展，全球能源危機和環境污染的日益嚴重，因此對汽車節能減排的要求也不斷提高。據統計，汽車重量每減輕10%，油耗可降低6%-8%，減排4%。汽車輕量化是汽車節能減排的重要措施，也是未來世界汽車發展的必然趨勢。

汽車輕量化設計主要有2種方式：（1）設計更加合理的結構，從而避免過設計；（2）采用新材料替換原有傳統材料，通常采用鋁合金、鎂合金、復合材料等輕型材料或高輕度剛替代普通低碳鋼提高性能，減輕重量[1]。

本文通過鋁合金板材在發蓋上應用環境條件的討論，明確鋁合金發蓋的研究的意義。并通過鋁合金和傳統鋼制板材的材料參數對比研究，從發蓋扭轉剛度、抗凹性、模態、強度、行人保護等性能角度詳細剖析了鋁合金發蓋的設計要點和目標，總結關鍵影響因素并提出了一套綜合優化方案，為初始階段的鋁合金發蓋設計提供了一套可借鑒的方法。

1 鋁合金發蓋的設計環境

在整車汽車市場上，鋁合金在車身上的運用越來越普遍。發蓋作為轎車前部的典型外覆蓋件。由于其大部分性能需求都屬于剛度類，行人保護又給發蓋創造了大量設計空間，所以可以彌補鋁合金彈性模量不足的缺陷，相對輕松的達到發蓋的性能要求。同時，發蓋還有以下特點：發蓋在前碰中不是傳力路徑，強度要求低；發蓋上配重較少，自身結構對模態起主要作用；發蓋材料利用率高，減重成本；主機廠往往有改善前后懸配重的需求等等……。發蓋系統的諸多特點，為鋁合金板材的運用提供了更低成本、更輕松的應用環境。

2 鋁合金發蓋的結構設計與性能

2.1 材料參數對比

將常用鋼制發蓋內外板材料（DC05、H180Y）和鋁合金發蓋內外板材料（5182、6021）對比發現：鋁合金最大優勢在于密度小；而最大的不足在于彈性模量低、成型性差，詳見表1。

彈性模量和零件剛度有關，例如，拉伸和壓縮剛度為EA，其中E為彈性模量，A為截面面積。彎曲剛度為EI，其中E為彈性模量，I為截面慣性矩。所以在結構類似的情況下，選用彈性模量小的鋁合金材料將導致發蓋剛度類的性能都下降，抵抗荷載作用下的變形能力也變差。下文將通過鋁制發蓋（內板5182，料厚0.9mm；外板6021，料厚1.0mm）替換鋼制發蓋（內板DC05，外板H180Y，料厚均為0.7mm），從扭轉剛度、抗凹性、模態、強度和行人保護方面綜合論述鋁合金對發蓋性能的影響，提出結構設計的優化方向。

2.2 結構設計與扭轉剛度

發蓋的扭轉剛度是約束發蓋鉸鏈和鎖扣處特定自由度，在其左右前角點施加垂直于外板的力，測試發蓋系統抵抗變形的能力。通過DFSS對發動機罩蓋扭轉剛度影響因子的分析和排序得知，發動機罩蓋中間梁深度、后梁深度、前梁寬度和中間梁寬度是影響扭轉剛度的重要因子，是結構設計的重點，詳見圖1。

可知，當鋁替換鋼，彈性模量E降低為原來三分之一時，想要維持相當的扭轉剛度，則I需要提升至之前的3倍。 根據力學理論，截面慣量I與料厚相關，基本成正比。即假設梁截面外輪廓尺寸不變，發蓋材料由鋁替換鋼時，由于鋁材料厚增加，慣量提升至1.5倍。因為截面慣量I又與梁深度H3基本上成正比，可以通過梁深度增加26%，將慣量再提升為原來的2倍。從而實現鋁合金替代鋼制發蓋后扭轉剛度性能的穩定。

2.3 結構設計與抗凹性

發蓋的抗凹性是發蓋處于關閉狀態下，對其鉸鏈和鎖扣處進行約束，在外板表面垂直施加載荷，測試發蓋系統抵抗變形的能力。故將發蓋系統簡化為簡支梁模型。

a為支撐點的距離，b為外板料厚。當采用鋁替換鋼時，E由205Gpa下降為69Gpa，僅為鋼材的1/3。如果要保證相同的抗凹性，則I需要是之前的3倍。假設發蓋內板支撐位置相同，則a為定值。鋼材I鋼=a*0.73/12。鋁材I鋁=a*13/12≈3*I鋼。故鋁材替換鋼制發蓋抗凹性可達到目標。

2.4 結構設計與模態

模態是結構系統的固有振動特性，與系統的振動重量有關。考慮發蓋上的安裝附件較少，其模態主要取決于自身，故直接將發蓋鈑金系統作為模態研究的對象，并根據安裝約束特性簡化為鉸鏈、鎖扣、緩沖件支撐的簡支梁模型來計算其模態。

可知一階模態的影響因素主要為：1、慣量；2、彈性模量；3、重量。根據截面慣量I的計算公式3、4，不考慮緩沖塊及附件，如果鋁制發蓋替換鋼制發蓋后需要得到相同的一階模態，則 H鋁=1.026H鋼。即鋁制發蓋梁深度增加2.6%之后，可以得到基本相同的模態。若加上緩沖塊及附件，由于緩沖塊剛度不變，鋁制發蓋零件重量更小，模態會上升。

2.5 結構設計與強度

根據表1的材料對比可以發現，對于發蓋內板而言，鋁5182的屈服強度較鋼DC05更高。

可知當鋁合金發蓋采用比鋼制發蓋更厚的料厚及更大的斷面時，整體應力水平會下降，發蓋內板強度風險也更小。

但是由于發蓋鎖扣本身的高強度和拉脫力要求，決定了鎖扣與加強板的連接工藝和材料強度要求都較高。所以從零件強度的性能、連接工藝、防腐性能、成本、重量等方面的綜合考慮，鋁合金發蓋的鎖扣及鎖扣加強板仍然采用鋼材。推薦將鎖扣和鎖扣加強板熱卯后做成黑漆件，以TOX或穿刺鉚接的工藝與鋁材連接來同時保證強度和防腐蝕的要求。

2.6 結構設計與行人保護

基于公司某款A字梁發蓋的結構，用鋁合金替代鋼制，截面尺寸不變，料厚由0.7變為1.0mm。其仿真結果如圖所示：

通過頭部加速度時間歷程曲線得知，在前艙空間無限制的條件下，截面尺寸不變的前提下，鋁合金發蓋頭部總體傷害值相比鋼制發蓋變化不大。其主要原因是，鋁合金發蓋的加速度曲線第一個峰值較鋼制發蓋下降明顯，但在14-16s出現明顯的第二波峰，導致HIC與鋼制發蓋差距不大。

通過文獻[2]對頭部合成加速度的研究，理想的加速度曲線如圖3。結合圖2為了獲得更加理想的加速度曲線，鋁合金發蓋需要增加速度曲線的第一個峰值，減少第二個峰值，來降低頭部傷害值。

通過鋁合金發蓋內板更改對加速度曲線第一波峰影響的對比研究可知，第一峰值的主要影響因子為撞擊帶動的外板質量，見圖4。同時也解釋了圖2中，鋁合金發蓋雖然帶動面積較大，但由于其密度較輕，第一個峰值依然較小的現狀。鋁合金發蓋的目的是汽車輕量化，故通過增加發蓋外板重量，優化加速度第一峰值的方式是不經濟也不可取的。對于一個鋁制發蓋，如何通過內板結構的優化，降低加速度曲線的第二峰值是發蓋行人保護設計的重點。

通過對鋁合金發蓋內板X-X結構梁和波浪梁HIC值對比分析可知，在壓潰空間小，僅60mm的情況下，挖空面積小、梁結構密集的波浪梁相比X-X的結構梁，增加了人-車碰撞的帶動質量，HIC傷害值更加穩定也更加低。同時波浪梁結構能讓頭部碰撞的能量在更少的空間內被吸收，對發蓋設計空間要求更低。所以鋁合金發蓋內板考慮到行人保護性能，中部梁結構建議設計為波浪梁或碗狀梁，推薦深度為25mm，見圖5。雖然波浪梁結構的鋁制發蓋略重，但此類結構的鋁制發蓋相比鋼制發蓋減重比率一般也≥40%，且行人保護結果及剛度性能較好。

表2為公司推薦的鋼制發蓋的內板結構和梁斷面初始化設計尺寸。根據上文論述，為平衡發蓋剛度類性能和行人保護需求，鋁制發蓋內部結構和各梁結構斷面尺寸推薦如表2：

3 結論

鋁合金是重要的汽車輕量化材料，發蓋系統的性能、空間布置等又為鋁合金的應用提供了良好的環境。本文通過鋁合金和鋼制板材的材料參數對比研究，從發蓋的性能角度詳細剖析了鋁合金發蓋的設計要點和目標，總結關鍵影響因素并提出了一套綜合優化方案，為初始階段的鋁合金發蓋設計提供了一套可借鑒的方法，為后續鋁合金發蓋設計具有較好的指導意義。

參考文獻

[1] 朱平，孟瑾，喻明，馮奇，周慶偉.轎車鋁合金發動機罩板的輕量化設計與可制造性分析.中國公路學報[J]. 2011.

[2] 董麗萍，朱西產，馬志雄，張軼川.基于頭部合成加速度波形的發動機罩蓋夾心層設計.汽車安全與節能學報[J].2012.07.