長玻纖增強聚丙烯材料特性及其在汽車前端框架應(yīng)用的設(shè)計方法

周琴平，張云青，楊良波，歐相麟，嚴衛(wèi)衛(wèi)，黃佳佳

（上海金發(fā)科技發(fā)展有限公司，上海 200000）

前言

隨著國家對于排放法規(guī)的日趨嚴格，到2020年乘用車平均燃料消耗量達到5 L/100 km的目標。據(jù)統(tǒng)計，汽車每減重10%，燃油消耗量可降低 6%～8%[1]，用輕量化技術(shù)為整車降重，成為整個行業(yè)的必然發(fā)展趨勢。在整個輕量化技術(shù)的發(fā)展過程中，長玻纖增強聚丙烯材料依托其優(yōu)異的物理性能、低密度、耐腐蝕等特點，在替代傳統(tǒng)金屬材料應(yīng)用中，得到了廣泛地應(yīng)用和行業(yè)認可，如全塑尾門、全塑前端框架、全塑引擎蓋等。然而，相對于金屬材料的物理性能，長玻纖增強聚丙烯還有很大的差距。為達到輕量化設(shè)計且滿足傳統(tǒng)金屬材料結(jié)構(gòu)相同的性能，我們需在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計進行著手優(yōu)化。為此，引入結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等手段，在產(chǎn)品正向開發(fā)設(shè)計階段為設(shè)計者提供科學(xué)的方法及依據(jù)。本文以某車型前端框架為導(dǎo)入，采用PP-LGF30材料，運用OptiStruct進行輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

1 材料屬性

PP基體由于玻纖的加入，物理性能得到較大的增強，同時也使得材料具有各向異性。

1.1 玻纖含量對于LFT-PP的性能影響

表1反映了纖維含量對LFT-PP 材料力學(xué)性能的影響，隨著玻纖含量的上升，LFT-PP 材料的密度增大，材料的力學(xué)性能，包括拉伸性能，彎曲性能和韌性都有不同程度的提高，玻纖質(zhì)量分數(shù)從30%上升到50%，LFT-PP 材料的拉伸強度和彎曲強度分別從118、160 MPa 上升到140、200 MPa，分別提升了 18.6%，25%，說明當玻纖含量從 30%～50%的時候，材料的力學(xué)性能顯著增加[2]。

表1 玻纖含量對LFT-PP的力學(xué)性能影響

1.2 玻纖取向?qū)τ贚FT-PP的性能影響

LGF-PP材料在注塑成型過程中，復(fù)合材料的玻纖會發(fā)生取向，成型后制品的力學(xué)性能呈現(xiàn)各向異性的特性，如圖 1所示某料商PP-LGF30材料常溫下不同取向應(yīng)力—應(yīng)變曲線。

圖1 PP-LGF30常溫下不用取向應(yīng)力-應(yīng)變曲線

為得到不同纖維取向材料參數(shù)，需：

（1）注塑成型如圖2所示纖維取向樣板；

圖2 纖維取向樣板[3]

（2）切割與纖維取向成0°、45°、90°角度的拉伸樣條，如圖3。

圖3 標準試樣制備[3]

材料參數(shù)處理

如1.2節(jié)所述，玻纖增強材料具有取向性，在實際注塑制件中，成型后的制品力學(xué)性能存在各向異性。在實際工程應(yīng)用中，為簡化工程問題，對于取樣測試后的不同取向參數(shù)，會予以處理成仿真用各向同性參數(shù)。

依據(jù)實驗獲得材料0°、45°、90°方向的拉伸曲線，取得3個方向的力學(xué)性能：彈性模量、泊松比、斷裂強度、斷裂伸長率等，依據(jù)復(fù)合材料層合板理論，按照45°/90°/—45°/0°鋪放角度獲得各向同性參數(shù)。

式中，Aij為拉伸剛度，Bij為耦合剛度，Dij為彎曲剛度。

在本文案例中，將以PP-LGF30材料為選用材料，根據(jù)實驗測試材料曲線，計算各向同性材料參數(shù)如表 2，用于后續(xù)仿真分析。

表2 PP-LGF30各向同性參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 前端框架簡介

前端框架（圖4部件9即為前端框架）為汽車前端模塊的核心部件，用于承載散熱器系統(tǒng)，承受機蓋鎖拉力，保證各安裝部件剛度等要求。相對于傳統(tǒng)鈑金前端框架，塑料前端框架減重超過30%以上。目前，全塑前端框架已被各OEM廣泛采用。在精益設(shè)計、成本的原則下，在開發(fā)階段，產(chǎn)品的精益設(shè)計則至關(guān)重要。

圖4 前端模塊爆炸圖[4]

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.2.1 設(shè)計空間

設(shè)計空間是指，根據(jù)輸入周邊數(shù)據(jù)，包括前防撞梁、前大燈、機蓋鎖、上裝飾板、引擎蓋、散熱器系統(tǒng)、下護板等，及部件間間隙要求等約束條件下，前端框架設(shè)計所能布置的最大空間。

圖5顯示了某款汽車前端框架設(shè)計周邊布置數(shù)據(jù)，同時基于此邊界輸入，完成后續(xù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計。依據(jù)輸入，完成前端框架設(shè)計空間如圖6，設(shè)計空間將后續(xù)用于拓撲優(yōu)化。

圖5 前端框架周邊數(shù)據(jù)

圖6 前端框架設(shè)計空間

2.2.2 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是對于給定的設(shè)計空間，在不同目標工況約束下，優(yōu)化出最佳的材料分布。

（1）連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化數(shù)學(xué)模型如公式所示：

（2）拓撲優(yōu)化步驟。

1）創(chuàng)建網(wǎng)格

在Hypermesh建立四面體網(wǎng)格，單元格尺寸5 mm，分別定義材料和材料屬性（表2所示）。定義部件之間的連接（如鎖扣受力點與前端框架的連接，前端框架與車身的連接，散熱器安裝等），用剛性連接單元REB2來模擬，。

2）拓撲優(yōu)化分析工況

a.固定點：4個前端框架與車身的安裝點1～6自由度約束。

b.拓撲優(yōu)化分析項。

a）鎖扣Z向剛度：鎖扣受力點 Z向加載力500 N；

b）鎖扣X向剛度：鎖扣受力點X向加載力150 N；

c）散熱器Z向剛度：散熱器下安裝點-Z向加載力300 N；

d）散熱器X向剛度：散熱器下安裝點X向加載力150 N；

3）拓撲優(yōu)化邊界條件設(shè)置

a.鎖扣Z向剛度：鎖扣受力點最大位移≤1 mm；

b.鎖扣X向剛度：鎖扣受力點最大位移≤1 mm；

c.散熱器Z向剛度：散熱器下安裝點最大位移≤1mm；

d.散熱器X向剛度：散熱器下安裝點最大位移≤1mm；

創(chuàng)建好的前端框架有限元模型如圖7所示。

圖7 前端框架CAE模型

4）拓撲運算

對創(chuàng)建完成的模型提交運算，圖8為單元密度0.3的拓撲優(yōu)化結(jié)果。

圖8 拓撲結(jié)果

由結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，設(shè)計空間減重較多，同時優(yōu)化結(jié)果可導(dǎo)出至CAD設(shè)計軟件。

2.2.3 CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計

在hypermesh中，將拓撲結(jié)果導(dǎo)出點云，并導(dǎo)入到CAD軟件中。依據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果，完成3D初版方案設(shè)計，如圖9。在進行初版方案設(shè)計時，需考慮產(chǎn)品加工制造的可行性，復(fù)合注塑零件的設(shè)計規(guī)則。

圖9 初版3D設(shè)計方案

初版方案設(shè)計重量2.9 kg，主壁厚3.0 mm，加強筋壁厚2.0 mm、3.0 mm，該方案將后續(xù)用于尺寸優(yōu)化。

2.3 尺寸優(yōu)化

2.3.1 有限元模型搭建

對于尺寸優(yōu)化，我們必須首先對上一步完成的方案建立有限元分析模型，如圖10所示。

圖10 初版方案有限元模型

（1）劃分中面網(wǎng)格，單元網(wǎng)格尺寸為5 mm；

（2）賦予網(wǎng)格材料及壁厚屬性；

（3）建立分析工況，相較于拓撲優(yōu)化，增加兩項分析工況，鎖扣強度、一階模態(tài)。

初版方案CAE分析結(jié)果如以圖11~16所示，統(tǒng)計如表3所示，相較于要求值，此方案還有較大的減重空間。下一步，將對前端框架壁厚進行壁厚優(yōu)化，即尺寸優(yōu)化。

表3 初版方案CAE分析結(jié)果

圖11 工況鎖扣Z向剛度位移云圖

圖13 工況鎖扣強度應(yīng)力云圖

圖14 工況散熱器Z向剛度位移云圖

圖15 工況散熱器X向剛度位移云圖

圖16 工況一階模態(tài)位移云圖

2.3.2 尺寸優(yōu)化

基于2.3.1完成模型，繼續(xù)完成尺寸優(yōu)化模型建立。

（1）對網(wǎng)格區(qū)域劃分，賦予不同屬性。尺寸優(yōu)化是對于材料壁厚屬性的優(yōu)化。Optistruct將對材料屬性，優(yōu)化到一個最優(yōu)的壁厚。不同的網(wǎng)格區(qū)域劃分，優(yōu)化的結(jié)果會有差異。如圖17為完成的網(wǎng)格屬性區(qū)域劃分。

圖17 網(wǎng)格區(qū)域劃分

（2）尺寸優(yōu)化。在建立尺寸優(yōu)化模型時，參數(shù)及約束邊界如下。

1）考慮成型性，在尺寸優(yōu)化定義了壁厚的最大壁厚 5 mm，最小壁厚1 mm；

2）約束邊界條件如表3要求值。

模型完成建立后，提交軟件進行分析。分析結(jié)果如圖18所示，可以看出，壁厚分布在1 mm~5 mm，各屬性網(wǎng)格優(yōu)化后，得到相應(yīng)的壁厚。表4展示了尺寸優(yōu)化前后，前端框架各工況的性能值。

圖18 尺寸優(yōu)化結(jié)果

從表4中，可以發(fā)現(xiàn)，優(yōu)化后各工況性能有所下降，但都能滿足要求。根據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，產(chǎn)品重量降低0.6 kg，減重20%。

表4 優(yōu)化前后結(jié)果對比

2.3.3 拓撲優(yōu)化修正

完成尺寸優(yōu)化后，我們已可得到一個比較滿意的輕量化設(shè)計。不過，我們可以繼續(xù)對尺寸優(yōu)化后結(jié)果進行拓撲優(yōu)化，更進一步的達到輕量化設(shè)計。

對尺寸優(yōu)化后模型進行拓撲優(yōu)化，第一，對于加強筋高度修正，同時展示出對材料密度分布。圖19展示了該前端框架項目拓撲優(yōu)化后結(jié)果，由拓撲優(yōu)化結(jié)果可以看出：

圖19 拓撲優(yōu)化結(jié)果

（1）從整理上，前端框架材料利用率較高。

（2）在下橫梁，材料利用率低，但由于成型性，密封性、翹曲變形等因素，筋位無法去除或掏空。下橫梁兩側(cè)筋位厚度減薄。

（3）在上橫梁，部分加強筋可適當裁剪。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計方案定型

完成拓撲優(yōu)化、尺寸優(yōu)化后，依據(jù)其結(jié)果，可對初版方案完成優(yōu)化（產(chǎn)品主壁厚、加強筋壁厚、加強筋高度），并添加與各部件安裝結(jié)構(gòu)，完成產(chǎn)品的定型設(shè)計方案，如圖20。

圖20 優(yōu)化后設(shè)計方案

3 總結(jié)

輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的方向，產(chǎn)品部件的輕量化設(shè)計是最直接、有效的手段。本文基于長玻纖增強聚丙烯材料性能特性，運用尺寸優(yōu)化、拓撲優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了前端框架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。該設(shè)計方法益處：

（1）相較于傳統(tǒng)依靠工程師個人經(jīng)驗，其更加的科學(xué)；

（2）達到性能要求的同時，降低產(chǎn)品重量，直接降低成本；

（3）減少產(chǎn)品設(shè)計階段的優(yōu)化變更輪次，縮短設(shè)計周期；

（4）此方法可延伸至其他結(jié)構(gòu)部件應(yīng)用的設(shè)計。