SMC復(fù)合材料汽車翼子板設(shè)計及性能研究

李波 周波

摘 要：隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重和能源危機(jī)不斷加劇，汽車輕量化已成為現(xiàn)代汽車設(shè)計的重要研究方向。本文采用新型SMC復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼材作為汽車車身翼子板用材，在保證性能要求的前提下，通過模塊化設(shè)計、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和工藝優(yōu)化實現(xiàn)減重20%的目標(biāo)，并通過約束模態(tài)和抗凹性仿真分析及翼子板性能試驗結(jié)果對比驗證了SMC復(fù)合材料翼子板方案的合理性。

關(guān)鍵詞：SMC 輕量化 翼子板 設(shè)計 性能

1 前言

隨著環(huán)境污染日益嚴(yán)重和能源危機(jī)不斷加劇，以改善汽車性能、提高燃油經(jīng)濟(jì)性、降低排放等為目的的汽車輕量化開發(fā)已成為現(xiàn)代汽車設(shè)計的重要方向。研究表明，汽車每減重10%，可降5%～8%的燃油消耗量;汽車重量每減輕100kg，每行駛1km的CO2 排放量可減少12.5g[1]。

SMC是一種輕質(zhì)高強(qiáng)材料，且具有絕緣隔熱、抗腐蝕、耐老化、設(shè)計自由度大、尺寸穩(wěn)定性好的特點[2]，其制造工藝簡單，可用于生產(chǎn)幾何形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，目前已廣泛應(yīng)用于汽車輕量化開發(fā)過程中。SMC作為一種新型復(fù)合材料，目前已成功應(yīng)用于國內(nèi)外多款車型的外覆蓋件，如路虎攬勝、Jaguar F-Pace、雪鐵龍DS6等車型的尾門;雪鐵龍C8、福特F150等翼子板。

2 SMC材料特性

SMC翼子板等汽車外覆蓋件開發(fā)過程中，通常采用A級表面SMC材料，其配方包括不飽和聚酯樹脂、玻璃纖維、填料、低收縮添加劑（LPA）等。樹脂選擇需要保證產(chǎn)品具有良好的表面質(zhì)量和剛性，從而克服二次加工時的變形，以達(dá)到所需的精度[3];玻璃纖維長度一般為25-30mm，并對材料強(qiáng)度及剛度性能起決定性作用;LPA低收縮添加劑主要是用于降低材料收縮率，減少成型后表面波紋度，從而改善SMC產(chǎn)品表面質(zhì)量。

本研究翼子板開發(fā)過程中，采用的SMC材料性能參數(shù)如表1。

3 翼子板設(shè)計

3.1 翼子板性能要求

翼子板作為白車身的重要組成部分，必須具備良好的抵抗變形和沖擊的能力。翼子板相關(guān)性能要求如下：1）在滿足工藝和裝配要求情況下，與原車型周邊件間隙面差要求一致，與鈑金相比，減重效果不小于20%;2）SMC復(fù)合材料翼子板一階約束模態(tài)≥50Hz，抗凹性達(dá)到或接近原有鋼制翼子板性能（約束狀態(tài)下，75mm的圓柱加載90N，最大變形不大于5mm）;3）滿足《GB 11566乘用車外部突出物》、《GB 7063汽車護(hù)輪板》和《GB/T 24550汽車對行人的碰撞保護(hù)》等法規(guī)要求。

3.2 翼子板方案設(shè)計

本文以某量產(chǎn)車型翼子板為研究對象，利用SMC材料進(jìn)行替代設(shè)計。鈑金結(jié)構(gòu)厚度0.65mm，材料B180H1，屈服強(qiáng)度為237MPa，密度7.86g/cm3，彈性模量為210000MPa。根據(jù)等剛度計算結(jié)果獲得SMC復(fù)合材料翼子板產(chǎn)品初始厚度，然后結(jié)合計算機(jī)輔助技術(shù)，對SMC復(fù)合材料翼子板進(jìn)行多輪計算機(jī)仿真分析和校驗，可得到最佳設(shè)計方案。

某車型翼子板最終采用主體料厚為2.3mm的SMC復(fù)合材料，翼子板與前保險杠、前組合燈配合、發(fā)動機(jī)罩、A柱、三角窗、前門外板、下裙板及輪罩配合的凸緣進(jìn)行增厚加強(qiáng)，其厚度為3.0mm。前門外板、發(fā)動機(jī)罩及A柱配合位置倒扣結(jié)構(gòu)通過斜頂/滑塊實現(xiàn)翼子板模壓模具整體成型工藝。與鋼制翼子板相比，SMC翼子板模具成本低、輕量化效果明顯;與其他類型塑料翼子板（PP或PA/PPO）相比，SMC翼子板可皆具輕量化、可在線涂裝、無色差、尺寸穩(wěn)定性好等優(yōu)點[4]。

4 性能仿真分析及驗證

4.1 重量

采用鋼材的傳統(tǒng)鈑金結(jié)構(gòu)翼子板厚度為0.65mm，重量為2.21kg;通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的SMC復(fù)合材料翼子板翼子板重量為1.75kg。

由以上比較克制，與傳統(tǒng)鈑金翼子板相比，SMC復(fù)合材料翼子板減重效果約為20.3%，滿足預(yù)期20%的減重目標(biāo)要求。

4.2 模態(tài)分析

采用Hyperworks軟件，將設(shè)置好的模態(tài)及剛度選項卡片的載荷工況提交給Optistruct求解器求解，通過Hyperview后處理軟件得到SMC復(fù)合材料翼子板約束模態(tài)云圖如圖1所示。

鋼制翼子板及SMC復(fù)合材料翼子板模態(tài)分析結(jié)果對比如表2。模態(tài)分析結(jié)果顯示，SMC復(fù)合材料翼子板模態(tài)分析結(jié)果滿足一階模態(tài)≥50Hz的設(shè)計目標(biāo)要求。

4.3 抗凹性分析及試驗

4.3.1 抗凹性分析

抗凹性直接決定翼子板抗變形能力，抗凹性若不滿足要求會導(dǎo)致翼子板變形、外觀不良及行駛過程中產(chǎn)生噪音等問題，嚴(yán)重影響車身品質(zhì)[5]。翼子板抗凹性分析點位置如圖2所示，加載點最大變形見表3，加載點最大變形分析云圖如圖3所示。

4.3.2 抗凹性試驗

抗凹性是指車身覆蓋件承受外部載荷作用時抵抗凹陷彎曲及局部凹痕變形，保持形狀完整的能力，它是評價和反映覆蓋件使用性能的一項重要指標(biāo)。

對成型后的SMC復(fù)合材料翼子板進(jìn)行抗凹性試驗，約束狀態(tài)下，采用直徑為75mm的木質(zhì)圓柱，垂直于待測翼子板表面以90N的力進(jìn)行加載，同時測量加載點位移。每測試點重復(fù)測量3次，并計算平均值，測試結(jié)果見表3。

4.4 振動試驗

4.4.1 共振振動耐久試驗

將SMC復(fù)合材料翼子板在振動試驗臺架上，使其處于正常使用狀態(tài)，并在8.3-50Hz內(nèi)進(jìn)行共振點掃頻，結(jié)果表明：SMC翼子板在8.3-50Hz范圍內(nèi)無明顯共振點，無需進(jìn)行共振振動耐久試驗。

4.4.2 振動耐久試驗

將SMC翼子板固定在振動試驗臺架上，使其處于正常使用狀態(tài)。按照振動頻率33Hz，振動加速度30 m/s2進(jìn)行試驗，振動次數(shù)按照X/Y/Z 向各25/25/50萬次，測試環(huán)境溫度按照-40℃、23℃、90℃分別進(jìn)行低溫，常溫和高溫測試。測試結(jié)果表明：振動耐久試驗后翼子板結(jié)構(gòu)完整性好，無裂紋、扭曲、破損等不良現(xiàn)象。

4.5 低溫落球沖擊

將零件安裝在模擬支架或車身上使其處于正常使用狀態(tài)，并置于環(huán)境溫度為-40℃±2℃的低溫箱內(nèi)4h，在冷凍狀態(tài)下用直徑50mm±1mm，質(zhì)量500g±5g的鋼球，從1000mm±20mm的高度進(jìn)行落球沖擊試驗，落球?qū)χ破氛孢M(jìn)行沖擊。下圖4測試結(jié)果表明：低溫落球沖擊后，SMC復(fù)合材料翼子板表面應(yīng)無斷裂、裂痕等不良現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文通過采用SMC復(fù)合材料替代鋼材進(jìn)行翼子板輕量化設(shè)計，并根據(jù)SMC材料特性制作一體式整體模壓成型翼子板，極大地簡化了復(fù)合材料翼子板成型工藝。與鋼制翼子板相比，新型SMC復(fù)合材料翼子板減重效果可達(dá)20%，相關(guān)仿真分析及試驗結(jié)果表明：SMC復(fù)合材料完全可滿足翼子板性能要求。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉保公，姜葉潔，黃少娟.碳纖維復(fù)合材料備胎池結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化[J].時代汽車，2019，（12）.

[2]Orgéas，L.，Dumont， P.J.J.，Nicolais， L. Sheet Molding Compounds. In Wiley Encyclopedia of Composites， 2nd ed.; Nicolais， L.，Borzacchiello， A.，Eds.，John Wiley， Inc.： Hoboken， NJ，USA，2011.

[3]岳成業(yè). A級表面SMC的研究[J]. 玻璃鋼/復(fù)合材料，1994，（4）.

[4]鐘國留，劉偉，雷紹闊. 塑料翼子板的工藝研究[J]. 上海塑料，2019，（1）.

[5]吳文娟. 淺談汽車前翼子板的結(jié)構(gòu)設(shè)計[J]. 機(jī)電工程技術(shù)，2011，40（8）.