碳纖維發動機蓋的性能分析及試驗驗證

李飛，黃小征，王帥

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碳纖維發動機蓋的性能分析及試驗驗證

李飛，黃小征，王帥

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

文章以某SUV混動車型的發動機蓋為研究對象，基于等剛度替換原則，選用碳纖維復合材料替代傳統鋼材料的方案，并通過CAE軟件仿真分析其彎曲剛度、前角剛度以及中后部剛度性能指標。通過對碳纖維發蓋樣件進行彎曲剛度、前角剛度以及中后部剛度試驗，計算得到實測剛度數據，并將其與仿真結果對比分析，為碳纖維材料剛度性能目標值的設定提供了實測依據，也為碳纖維復合材料在汽車零件上的應用提供了參考方向。

發動機蓋；碳纖維；CAE；試驗；對比

前言

實現整車輕量化技術實現整車減重是實現節能減排的重要途徑，已經逐漸成為各大車企發展的潮流，研究表明，傳統燃油車整備質量每減少100kg將實現節油0.39L/100km，整備質量每降低10%，油耗可降低6%-8%，尾氣排放也會下降4%。汽車輕量化設計一般通過輕量化材料、制作工藝以及結構優化等方式實現。碳纖維含碳量在90%以上，是一種力學性能優異的無機高分子材料，它通過與樹脂、金屬及陶瓷等基體的復合，形成增強基復合材料。碳纖維復合材料擁有密度小、比剛度、比模量大、耐高溫、抗腐蝕及可設計性強等特點，因此在汽車輕量化材料中占有重要地位。預計到2030年，碳纖維復合材料將廣泛應用在汽車零部件上[1]。本文基于等剛度替換原則[2]，用碳纖維材料替換傳統金屬材質來設計發蓋，結合有限元分析方法對碳纖維發動機蓋進行彎曲、前角以及中后部剛度分析[3-4]，并與試驗數據進行對比，為碳纖維發蓋剛度性能目標值的設定提供了實測依據，也為后續輕量化材料在其他汽車零部件上的應用和推廣提供了參考方向。

1 碳纖維發動機蓋的設計開發

1.1 等剛度替換理論

通過等剛度替換理論，從而確定發蓋內外板的厚度，其中：

對于薄壁結構而言，橫截面積的寬度b=b，則：

式中：E為層合板等效模量；

I為復合材料結構橫截面的慣性矩；

E為原結構材料的彈性模量；

I為原結構橫截面的慣性矩；

b，b為橫截面的寬度。

h，h為橫截面高度（或厚度）。

根據表達式（3）可以初步確定替換材料的厚度，為了保證替換材料之后結構的剛度，往往基于材料屬性進行厚度調整。此外，根據參考材料[5-6]，單個鈑金件的剛度與厚度成非線性關系，近似關系表達為：

式中：為幾何系數；

為彈性模量；

為材料厚度；

為厚度指數系數。

根據表達式（4），等剛度替換前后的厚度之比，質量之比分別為：

式中：0、1分別為材料替換前后的厚度；

0、1分別為材料替換前后的彈性模量；

0、1分別為材料替換前后的質量；

0、1分別為材料替換前后的密度。

表1 內、外板材料替換前后厚度對比

根據表達式（5）（6）可知，等剛度條件下材料的厚度和質量均與彈性模量成反比。對于車身結構件，λ通常取值為1~2，幾乎很少有小于1或大于3的可能?；谏鲜隼碚摽傻冒l動機蓋內、外板進行材料替換后的厚度值，如表1所示。內、外板材料替換厚度指數系數分別為1.38，2.01，滿足在1~3的取值。

1.2 碳纖維發動機蓋結構

碳纖維發動機蓋的內外板采用碳纖維復合材料，內部加強件仍然采用鋼制材料?？紤]到復材成型的工藝問題，鋼結構零部件會進行相應的簡化和調整。在結構方面，內板取消涂膠槽、加強筋和工藝孔結構，并優化切邊，如圖1所示（圖中的涂膠槽、加強筋、工藝孔和切邊，顯示的是優化前傳統發蓋的結構特征）。在連接方面，內、外板周邊由包邊結構轉換成膠粘結構；鉸鏈加強板與內板的連接由焊接結構改成膠鉚結構。此外，內部加強板根據內外板狀態重新進行設計優化。

圖1 發動機蓋內板結構優化示意圖

1.3 碳纖維發動機蓋輕量化效果

碳纖維發動機蓋由于在材料、結構和工藝上進行了簡化處理，能夠減質量8.221kg，減重比例達47%，如表2所示。

表2 碳纖維發動機蓋減重效果

2 碳纖維發動機蓋結構性能分析

將碳纖維發蓋的3D數據導入到HyperMesh軟件中，對模型進行抽取中面和幾何清理后，再進行網格劃分處理，并建立局部坐標系，然后參照某公司研究院的分析標準，分別對發動機蓋進行彎曲剛度、前角剛度、中后部剛度的CAE分析。

2.1 建立局部坐標系

圖2 建立局部坐標系示意圖

取鎖鉤中心點，左右兩個鉸鏈安裝點的中心點及左側鉸鏈安裝點三個點建立局部坐標系。在該局部坐標系中，z方向為鉸鏈軸方向，以上三點所確定的平面法線方向為y軸正方向，如圖2所示。

2.2 彎曲剛度分析

約束條件：對鉸鏈與車身安裝孔進行全約束，同時約束左右緩沖塊Y向自由度。

載荷條件：在發動機蓋鎖扣節點號（9）處施加Y向300N載荷，方向垂直于紙面向外，如圖3所示。

圖3 彎曲剛度約束條件和載荷工況

由HyperView后處理軟件可知，發動機蓋總成的鎖扣點Y向位移為1.072mm，如圖4所示，因此，發動機蓋的彎曲剛度為279.9N/mm。

圖4 彎曲剛度分析結果

2.3 前角剛度分析

約束條件：對鉸鏈與車身安裝孔進行全約束，同時約束鎖扣處1、2、3平動自由度，以及約束右側緩沖塊Y向平動自由度。

載荷條件：在左側緩沖塊節點號（11）處施加Y向100N的載荷，方向垂直于紙面向里（為了與試驗方向一致，由于做試驗時掛鉤不好放，故選擇伺服電動缸向上頂），如圖5所示。

圖5 前角剛度約束條件和載荷工況

由HyperView后處理軟件可知，發動機蓋左側緩沖塊Y向位移為0.7813mm，如圖6所示。因此，發動機蓋的前角剛度為127.9N/mm。

圖6 前角剛度分析結果

2.4 中后部剛度分析

約束條件：對鉸鏈與車身安裝孔進行全約束；約束鎖扣處1、2、3平動自由度；約束左右側緩沖塊Y向平動自由度。

載荷條件：在發蓋中后部節點號（10410），處施加Y向100N載荷，方向垂直于紙面向里（為了與試驗方向一致，由于試驗時該位置沒有通孔，故選擇伺服電動缸向上頂），如圖7所示。

圖7 中后部剛度約束條件和載荷工況

由HyperView后處理軟件可知，發動機蓋總成中后部剛度Y向位移為0.2483mm，如圖8所示。因此，發動機蓋的中后部剛度為402.7N/mm。

圖8 中后部剛度分析結果

3 碳纖維發動機蓋試驗驗證

在自動加載開閉件剛度試驗臺上，利用伺服電動缸、砝碼、掛鉤以及馬爾千分表等試驗儀器，按照臺架試驗委托單中的試驗要求，分別對某SUV混動車型的發動機蓋進行彎曲剛度、前角剛度、中后部剛度的剛度試驗。

3.1 發蓋無鉸鏈彎曲剛度試驗

用千分表監測發蓋內板鎖加載點處附近、左右前緩沖支撐點及左右鉸鏈板約束點的位移變化情況，同時在鎖點處加載300N力值，測量各表位移變化量并記錄相應數據，試驗布置如圖9所示。

圖9 發蓋彎曲剛度試驗布置示意圖

3.2 發蓋無鉸鏈前角剛度試驗

用千分表分別監測發蓋內板前部左右緩沖點、中部鎖鉤支撐點及左右鉸鏈約束點的位移變化情況，同時左緩沖點施加100N推力，測量各表位移變化量并記錄相應數據，試驗布置如圖10所示。

圖10 發蓋前角試驗布置示意圖

3.3 發蓋無鉸鏈中后部剛度試驗

用千分表監測發蓋內板中后部加載點、左右前支撐、中部鎖鉤支撐點及左右鉸鏈約束點的位移變化情況，同時在中后部處加載100N推力，測量各表位移變化量并記錄相應數據，試驗布置如圖11所示。

圖11 發蓋中后部剛度試驗布置示意圖

綜上所述，獲得碳纖維發蓋的剛度試驗結果如表3所示。

表3 碳纖維發蓋剛度試驗結果

4 仿真與試驗結果對比

將先前的仿真分析結果與實測結果對比分析，如表4所示。

表4 仿真與試驗對比結果

從表4可知，仿真值會稍高于試驗值，原因分析：1）由于材質、成型工藝水平的限制，試驗碳纖維發蓋的各項性能可能達不到理想標準；2）實驗過程中盡管使用相關設備約束了各約束點，也可能會產生微小的移動，同時也會受一些環境溫度的影響。

5 結論

本文以某混動車型的發動機蓋為研究對象，基于等剛度替換原則用碳纖維材料替換傳統金屬材料，通過CAE軟件分析其彎曲剛度、前角剛度以及中后部剛度性能指標，并在自動加載開閉件剛度試驗臺上對碳纖維發蓋樣件進行了相對應的剛度試驗。從仿真與試驗數據的對比結果可知，由于材料本身屬性和試驗條件的限制導致了仿真值會稍高于試驗值，同時獲得了碳纖維剛度的性能目標值，為碳纖維復合材料在其他汽車零部件上的應用和推廣提供了參考方向。

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[2] 劉鴻文.高等材料力學[M].北京:高等教育出版社, 1985:70-79.

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[4] 聶根輝.謝新生.歐陽春平. PP-LGF40材料發動機罩結構設計與性能分析[J].研究與開發,2017(4):11-15.

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Performance Analysis and Experimental Verification of Carbon Fiber Engine Cover

Li Fei, Huang Xiaozheng, Wang Shuai

( Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Based on the principle of equal stiffness substitution, this paper take the engine cover of a SUV electric vehicle as the research object, use carbon fiber composite materials to replace the traditional steel material program, and take simulation analysis of the bending stiffness, the front angle stiffness and the middle rear stiffness by CAE simulation software. Through the bending stiffness, the front angle stiffness and the middle rear stiffness test of the carbon fiber engine cover sample, calculate the test stiffness data, and comparing it with the simulation result, which not only provides a basis for the setting of carbon fiber performance target value, but also provides a reference for the application of carbon fiber composite materials that using in the parts of vehicles.

Engine cover;Carbon fiber;Experiment; Contrast

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.10.039

U467

A

1671-7988(2019)10-112-04

U467

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1671-7988(2019)10-112-04

李飛，工程師，研究生，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為整車能量管理和輕量化相關工作。