基于碰撞安全的復合材料尾門設計

劉晶，解維杰，彭丹，張靜

(上汽通用五菱汽車股份有限公司,廣西柳州 545007)

0 引言

研究資料表明，汽車整備質量每減少10%，油耗就可以節省6%～8%，汽車整備質量每減少100 kg，百公里油耗可降低0.3～0.6 L，與此同時，汽車整備質量的減小還會減少大氣中二氧化碳的排放量，以及氮化物、硫化物等有害物質的排放。因此，汽車輕量化已成為汽車工業發展的方向之一，是提高汽車的燃油經濟性、減少排放的重要技術途徑。汽車輕量化技術是在滿足汽車使用性能和成本控制的條件下，輕量化結構優化、輕量化材料運用與輕量化加工制造的綜合應用技術[1-2]。

隨著汽車制造技術向模塊化、集成化、輕量化的發展，汽車復合材料尾門,成為各大汽車制造商車身部件模塊化的重要方向。目前傳統尾門采用散件裝配的形式，主要包括內外板落料、沖壓、包邊和焊接，隨白車身電泳、涂裝，最后總裝線裝配高位剎車燈、尾燈、牌照燈、玻璃、擾流板、線束、鎖扣、內飾板、LOGO等部件；復合材料尾門可將外板和擾流板集成，內板和部分內飾板集成設計，裝配其他零部件，實現模塊化供貨，單臺車輛尾門總裝時間最高可節省約1 000 s。

復合材料(Composite Materials)，是由兩種或兩種以上不同性質的材料，通過物理或化學的方法，在宏觀上組成具有新性能的材料。塑料復合材料具有密度小、比強度高、抗腐蝕性好、易成形從而降低了復雜零件的加工難度，塑料基的復合材料可設計性強，耐沖擊并可絕熱、不導電，因此，是汽車輕量化的重要材料。目前塑料復合材料主要應用在汽車內、外飾等裝飾件上，但是近年來塑料復合材料正由內、外飾等裝飾件向結構件發展，以減輕汽車結構件的質量[3]。將塑料復合材料應用于汽車尾門，凸顯出的優勢有：(1)減重：復合材料尾門比金屬尾門減重25%～35%，為5～7 kg,提升燃油經濟性；(2)高度集成化：整體注塑成型，大幅減少零部件數量，省去焊接、節省裝配等費用，減少裝配工具，節約場地，進一步降低成本；(3)寬泛設計自由度：設計自由度更高，可實現金屬鈑金件難以成形的形狀，造型美觀，有利于空氣動力學優化；(4)開關門的輕快性：隨著輕量化，車門開關的輕快性加強，開關門的聲音也隨之減輕；(5)低模具成本：模具減少 ，具有更低的模具投入及更低模具維護維修費用；(6)輕微碰撞的低維修費：具備一定的彈性，低速碰撞時可復原，降低了維修概率，節省了維修成本；(7)質量穩定：穩定的部件質量,注塑產品相對于鈑金焊接質量更穩定，可達到注塑機的一級表面；(8)其他優勢：有更好的隔熱，隔音、電絕緣性、化學耐腐蝕性。

1 尾門的組成

汽車尾門結構作為汽車車身中獨立的系統總成，一般由尾門本體、尾門附件及尾門內外飾三大部分組成，傳統尾門和復合材料尾門主要零件組成對比見表1。尾門示意圖如圖1所示。

表1 傳統尾門和復合材料尾門組成對比

圖1 尾門示意

2 結構設計

2.1 材料的選取

基于環保和造型自由度的考慮，文中的汽車尾門外板采用PP-T20，內板采用PP-LGF40，內外板采用結構膠進行連接，材料性能見表2。

表2 復合材料尾門材料信息

2.2 厚度選擇

由于塑料材料本身的特性，選擇注塑工藝進行加工，選擇料厚時需綜合考慮外板表面抗凹性、注塑模具壓力、澆口布置等因素；而且尾門內板還是主要受力結構，尾門玻璃、尾門鎖、氣彈簧等安裝在尾門內板上，厚度選擇需要考慮強度以及剛度的要求。文中的尾門內、外板主料厚為2.8 mm，局部加強區域以及部分加強筋厚度為3 mm。

2.3 局部加強方案

因為PP-LGF40材料的彈性模量只有鋼的1/39，強度較差，局部承受扭矩較大區域需增加金屬加強板進行加強。

(1)尾門運動時主要依靠氣撐桿來支撐，需加強尾門兩側的強度以及增加金屬加強板進行局部加強，將鉸鏈加強板與氣彈簧支撐板連成一體，并嵌入模具進行嵌件注塑工藝成型；

(2)尾門限位塊區域承受較大關門沖擊力，應安裝鈑金支架來承受沖擊，避免塑料件被沖破；

(3)后門鎖安裝點增加金屬加強板進行加強。

3 碰撞安全性能分析

3.1 后碰法規

碰撞裝置為一剛性的鋼制結構，表面為平面，寬度不小于2 500 mm，高度不小于800 mm，其棱邊圓角半徑為40～50 mm，表面裝有厚為20 mm的膠合板，碰撞裝置如圖2所示。

圖2 碰撞裝置

3.1.1 移動壁障的放置

移動壁障的碰撞表面應鉛垂，并垂直于被撞車輛縱向中心平面；移動壁障移動方向應水平，并平行于被撞車輛的縱向中心平面；碰撞表面的中垂線和被撞車輛的縱向中心平面間的橫向偏差不大于300 mm，并且碰撞表面的寬度應超過被撞車輛的寬度；碰撞表面下邊緣離地高度為(175±25)mm。

3.1.2 移動壁障的速度和質量

根據法規要求，移動壁障的碰撞速度為(50±2)km/h，移動壁障的總質量為(1 100±20)kg。

3.1.3 主要考察指標

(1)在碰撞過程中，燃油裝置不應發生液體泄漏；

(2)碰撞試驗后，燃油裝置若有液體連續泄漏，則在碰撞后前5 min平均泄漏速率不應大于30 g/min；

(3)不應引起燃料的燃燒；

(4)在碰撞過程中和碰撞試驗后，蓄電池應由保護裝置保持自己的位置[4]。

3.2 后碰分析

3.2.1 后碰仿真模型建模

(1)網格劃分：單元基本尺寸取10 mm，最小單元尺寸為3 mm，注意檢查自由邊、自由節點、單元法向和重復單元等質量問題，布置在車輛后端的燃油系統相關部件進行詳細建模，包含油箱本體、碳罐總成、燃油管總成；

(2)賦材料屬性：根據材料屬性清單進行賦予；

(3)調穿透與干涉：檢查干涉與穿透，并進行調整，直至無穿透，干涉厚度小于0.1 mm；

(4)連接：模型各部件之間的連接嚴格按照實物之間的連接關系，分別采用螺栓、鉸鏈、膠接、點焊和縫焊來接，其中螺栓連接用Patch模擬，黏膠和點焊用實體單元模擬，焊縫用RigidBody模擬；

(5)接觸：主要是焊點接觸、黏膠接觸、自接觸、面面接觸等，整車的自接觸采用*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE，這種接觸是基于罰函數理論，通過檢查從部件集合與主部件集合的接觸情況，通過罰力來阻止從屬部件的節點穿透到主部件單元中；焊點接觸采用*CONTACT_SPOTWELD；黏膠解除采用*CONTACT_NODE_TO_SURFACE；

(6)加載：按照法規要求正確擺放壁障，設置碰撞速度(50±2)km/h；

(7)卡片輸出：設置計算時間、時間步長等參數，為了便于后續結果分析，需輸出碰撞中的應力和應變；

(8)截面力輸出：用剛性截面XSectionplane來測量通過傳力路徑上的截面力,輸出截面力的目的是為了在后處理時可以得出車身各部位傳力大小；

(9)模型的檢查和計算：基于Hypermesh中Dyna模塊的Dyna Error Check功能，對模型進行檢查，模型檢查結果有兩種，第一種是Warning，第二種是Error，Error需要調試和改正，Warning一般不導致Dyna計算異常終止，但是不排除報錯，所以可以在完成Dyna Error Check調試之后，還需要結合Dyna計算軟件的Message文件來調試模型，使用Ls-dyna 6.1提交計算，由于模型較大，盡量采用Ncpu較大的計算機，并且設置Memory大于500 m來計算。

后碰分析模型如圖3所示。

圖3 后碰分析模型

3.2.2 分析結果

(1)在Hyperview中提取結果文件，d3plot文件以查看碰撞動畫，并仔細查看撞擊過程，查看是否發生異常或有零件未連接，如果發生，需調整模型后重新計算。通過Glstat文件檢查能量曲線，重點關注動能、內能、沙漏能、接觸能和總能量，各能量曲線如圖4所示，能量變化正常。

圖4 能量曲線

(2)整車變形如圖5所示，未出現惡劣變形，整車結構均滿足要求。

圖5 整車變形

(3)應保證電池包在后碰過程中及后碰完成后與其他部件之間的距離，不與其他部件發生接觸，電池包及安裝支架的應變應小于0.2，考慮安全裕度，應變需小于0.1。分析結果如圖6所示，其中鋼制尾門中電池包及其安裝支架最大應變0.091，復合材料尾門中電池包及其安裝支架最大應變0.094，均滿足要求。

圖6 電池包及其安裝支架應變

(4)分別提取鋼制尾門和塑料尾門的車身加速度，如圖7所示，兩次仿真加速度基本一致。

圖7 車身加速度

(5)分別對鋼制尾門和塑料尾門進行后碰分析，主要針對尾門變形、應變進行考察對比，分析結果如圖8和圖9所示，其中鋼制尾門最大應變0.132，復合材料尾門最大應變0.675；鋼制尾門最大變形量165.9 mm，復合材料尾門最大變形量140.6 mm。

圖8 尾門應變

(6)復合材料尾門應變較大，碰撞過程中失效風險較大，針對此問題進行尾門結構優化，將門肚結構設計成V型以及采用W型筋條，優化后的仿真結果如圖10和圖11所示，復合材料尾門最大應變0.128，最大變形量169.7 mm，滿足要求。

圖10 優化后尾門應變

圖11 優化后尾門變形量

4 結束語

采用PP-T20和PP-LGF40材料的尾門與鋼制尾門在后碰方面的性能相當，但是質量減輕了2.585 kg，減重比例達到35.3%，同時零件數量由15個減為6個，節約總裝工時1 000 s。

受限于進口的原材料以及生產工藝，盡管復合材料尾門模具相對于傳統鈑金件尾門的模具成本要低，但是采用復合材料的成本為傳統鈑金件的3～5倍，導致尾門總成相比于鈑金件尾門成本高。隨著生產工藝的優化以及原材料的國產化，復合材料尾門的成本將會逐步降低，未來復合材料尾門將會大規模應用[5]。