油底殼飛石沖擊分析與結構優化

史文軍

摘要：為實現油底殼輕量化，本文設計了一款質輕、低成本的油底殼。首先通過Pro/E對油底殼進行有限元建模，再利用Abaqus對油底殼模型進行飛石沖擊分析，根據飛石沖擊分析結果，提出增加加強筋高度的優化方案。優化后的油底殼結構滿足飛石沖擊測試要求，且相比沖壓鋼板油底殼，本文設計的油底殼整體質量減輕59%，實現了輕量化設計。

Abstract： In order to realize the light weight of the oil pan， a light and low cost oil pan is designed. Firstly， the finite element modeling of the oil pan is carried out through Pro/E， and then the stone impact analysis is performed on the oil pan model using Abaqus. Based on the stone impact analysis results， an optimization plan for increasing the height of the ribs is proposed. The optimized oil pan structure meets the requirements of the stone impact test， and compared with the stamped steel oil pan， the overall mass of the oil pan designed is reduced by 59%， and the light weight design is realized.

關鍵詞：油底殼;輕量化;飛石沖擊

0? 引言

汽車輕量化（Light Weight of Automobile）是汽車產業的發展方向之一，也是一個汽車廠商和國家技術先進程度的重要標志[1]。汽車輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整車質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染[2]。當前，由于環保和節能的需要，汽車輕量化已經成為世界汽車發展的潮流[3]。以塑代鋼是汽車輕量化技術的發展方向[4]。

目前，大多數發動機油底殼基本采用常規化設計，采用沖壓或者鑄造工藝成型，無輕量化及降噪措施，在結構和材質上存在不足。例如金屬油底殼通常重量較大，制造成本較高，噪音明顯，并且加工尺寸精度較低，外觀粗糙塑料。此外金屬油底殼采用紙基密封，密封材料易磨損而造成泄漏;SMC復合材料油底殼結構受模壓成型工藝限制，產品結構要求比較簡單，且材料不能回收循環使用，尼龍玻纖增強材料具有強度高、密度小、熱膨脹系數小以及尺寸、穩定性好等特點。該材料在油底殼上的應用將會越來越廣泛。本文以某款輕型發動機尼龍玻纖增強材料油底殼開發為例，對其結構設計和優化進行簡要闡述。

1? 結構設計和有限元模型建立

1.1 油底殼結構設計簡介? 本文根據某型號國產汽車發動機的整車邊界條件、油底殼出油量和安裝點位置，設計了一款質輕、低成本油底殼，其具體結構如圖1所示，主要包括：殼體1、橡膠密封墊2和金屬嵌件3。殼體1包括深槽區和淺槽區，深槽區和淺槽區的底面通過一斜面連接，深槽區和淺槽區的安裝面為同一平面，且安裝面和地面相對。深槽區的側面設有加熱器孔，加熱器孔中安裝有機油加熱裝置。殼體1的安裝面具有密封槽，密封槽中安裝有隨形的I型橡膠密封墊2，以保證油底殼的密封性。在密封槽外側設置有16個通孔，兩長邊各均勻分布8個，兩短邊各分布3個。每個通孔中固定有金屬嵌件3，每個金屬嵌件3采用冷插工藝，通過過盈配合固定。殼體1的外表面上設有加強筋。相鄰加強筋[5-6]的中心距為8mm，每個加強筋的厚度為2mm，平行分布。殼體1采用玻纖增強PA66注塑成型，結構簡單，因此制造成本低，易成型且質輕。使用橡膠密封墊代替常規的紙基密封墊，利用橡膠的彈性保證殼體與缸體的氣密性，由于橡膠具有良好的耐磨性，油底殼拆卸后橡膠密封墊可循環使用。加強筋的設計保證了殼體的耐沖擊性和高強度。

1.2 有限元模型的建立? 該油底殼采用注塑一體成型，采用尼龍玻纖增強PA66材料，材料力學參數為：彈性模量6388Mpa，泊松比0.33，密度1.41kg/m3，材料允許最大破壞應力115Mpa。在Pro/E中創建發動機油底殼三維實體模型。由模型計算可得油底殼的質量為2.2kg。利用Abaqus軟件對生成模型采用曲率法進行網格劃分，該油底殼的有限元模型由大約48萬個二階四面體單元組成。

2? 飛石沖擊分析

2.1 邊界條件? 整個油底殼通過裝配螺栓固定所有安裝點，沖擊錘定義為不可變形的剛體，剛性沖擊錘以39.8km/h的沖擊速度，12J的沖擊能量，垂直撞擊油底殼外表面指定位置。接受準則為油底殼內部本體無裂紋，加強筋允許有裂紋。剛性沖擊錘模型見圖2，沖擊直徑為40mm，沖擊質量為0.2kg。沖擊位置為油底殼深槽區端部外側立面和深槽區和淺槽區之間的斜面外側，見圖3和圖4。

2.2 分析結果

油底殼深槽區端部外側立面內部和外部加強筋均出現裂紋失效，不符合接受準則，沖擊結果見圖5。深槽區和淺槽區之間的斜面內部無失效，加強筋出現裂紋失效，符合接受準則，沖擊結果見圖6。鑒于此，建議將油底殼的深槽區端部立面外殼厚度增加1mm，或將油底殼深槽區端部立面外部加強筋的厚度增加2-3mm。

3? 結構優化和飛石沖擊分析

3.1 結構優化

依據油底殼的飛石沖擊分析結果，結合生產實際確定以下結構優化方案：增加油底殼外部6條加強筋（深槽區外端兩側各3條）高度，由7mm增加至9mm，加強筋頂部厚度減小到2mm。對優化后的油底殼模型重新進行飛石沖擊分析。

3.2 分析結果

優化后沖擊結果如圖7所示，結果顯示，在12J沖擊能量下，油底殼加強筋發生裂紋，但油底殼內部無裂紋，因此油底殼在該條件下是安全的。這主要是因為與以前的設計相比，優化后的油底殼的加強筋高度增加了，提高了油底殼外壁的抗沖擊性能，而加強筋頂部的厚度減小，可以確保加強筋盡可能的吸收沖擊能量。

4? 結論

對油底殼進行飛石沖擊分析，并根據飛石沖擊分析結果，采取增加加強筋高度的方式進行結構優化，從而使優化后的結構滿足飛石沖擊測試要求。優化后的油底殼相比沖壓鋼板油底殼整體質量減輕59%，實現了輕量化設計。

參考文獻：

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[2]丁小馬.碳纖維復合材料汽車前地板成型工藝及性能研究[D].東華大學，2015.

[3]楊忠敏.低碳經濟帶來輕量化碳纖維新材料的發展機遇[J].化學工業，2011，29（Z1）：1-5.

[4]葛海龍，柳國立，張國宇，張蒙.塑料油底殼的開發及應用[J].內燃機與配件，2017（07）：43-45.

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[6]陳澤中，李鑫，李文傳，李響.汽車塑料油底殼注塑成型數值模擬與結構優化研究[J].有色金屬材料與工程，2019，40（03）：1-8.