VARI成型碳纖維引擎蓋剛度有限元分析

李恒

VARI成型碳纖維引擎蓋剛度有限元分析

李恒

（南通職業大學，江蘇 南通 226007）

碳纖維輕量化材料是實現汽車輕量化的重要手段，在汽車領域具有廣泛應用前景，文章對VARI成型工藝碳纖維引擎蓋進行研究，根據VARI成型工藝特點及引擎蓋力學性能設計了引擎蓋的工藝流程和鋪層方式，在有限元軟件中建立了VARI成型碳纖維引擎蓋有限元模型，并對VARI成型引擎蓋的剛度進行有限元計算分析。結果表明，VARI成型碳纖維引擎蓋的安裝變形、邊緣變形、扭轉剛度、沖擊變形均符合設計要求，采用VARI成型工藝可有效降低引擎蓋重量，實現車身輕量化。

VARI；碳纖維；引擎蓋；剛度；有限元

前言

汽車工業的發展帶來了嚴重的環境污染、能源危機等問題，節能減排已成為全球汽車工業急需要解決的問題，輕量化是實現汽車節能減排最有效的措施之一，汽車輕量化可通過采用輕量化材料來實現。碳纖維復合材料具有密度低、比強度高、比模量高、比吸能好、抗疲勞、耐腐蝕等優點，故已成了汽車輕量化研究的重要方向[1-2]。引擎蓋是汽車車身的重要組成部分，具有保護發動機、隔離噪聲等功能，設計碳纖維引擎蓋、實現引擎蓋輕量化，可有效降低車身重量。

葉輝等[3]采用熱壓罐成型工藝，通過優化汽車引擎蓋的鋪層設計，制作出的碳纖維引擎蓋在滿足剛度、模態要求的同時有效減輕了重量，實現了引擎蓋減重51.2%。張彥飛等[4]對引擎蓋真空輔助樹脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝參數進行研究，優化了充模流動過程，得出了優化注射方案。黃繼峰等[5]采用碳纖維/玻璃纖維混雜復合材料替換金屬材料引擎蓋，基于OptiStruct軟件對引擎蓋多階段進行聯合優化設計，在滿足力學性能和制造工藝的前提下，優化后的引擎蓋重量減少了60%。李燕龍等[6]對純電動汽車引擎蓋SMC成型工藝進行研究，通過采用SMC成型工藝，簡化引擎蓋結構和連接工藝，實現了相比傳統金屬材料引擎蓋減重23%。

目前，對復合材料引擎蓋的研究多集中在熱壓罐成型、RTM成型等工藝上，對于真空輔助樹脂注射成型工藝（Vacuum Assisted Resin Infhsion，VARI）碳纖維引擎蓋研究較少。因此，本文通過對VARI 成型碳纖維引擎蓋進行研究，采用有限元分析軟件對VARI成型碳纖維引擎蓋的剛度進行分析，驗證VARI成型工藝引擎蓋的可行性。

1 碳纖維引擎蓋VARI成型工藝

汽車覆蓋件常用的成型工藝有手糊成型工藝、樹脂傳遞模塑成型工藝（RTM）、熱壓罐成型工藝、片狀模塑料模壓成型工藝（SMC）等。本文碳纖維引擎蓋采用真空輔助樹脂注射成型工藝（VARI），VARI是在RTM工藝基礎上發展而來的一種新型的復合材料成型工藝，該工藝是將產品密封在模具和真空袋之間，通過抽真空對產品均勻加壓，得到最終制品的成型方法[7-8]。相比于手糊成型工藝，VARI成型工藝操作性好，產品性能、質量高，生產工作環境好；相比于RTM、熱壓罐成型工藝，該工藝操作簡單、工藝成本低，且適用于制件一次整體成型。引擎蓋VARI成型工藝流程如圖1所示。

圖1 引擎蓋VARI成型工藝流程圖

2 鋪層設計

碳纖維復合材料屬于正交各項異性材料，鋪層具有較強的可設計性，不同鋪層的方向、順序、數量決定了成型后構件的力學性能，鋪層設計時可根據構件受力情況合理設置鋪層，最大限度地發揮纖維材料的性能。在考慮引擎蓋受力情況，遵循對稱鋪層，盡可能減小由于層合板的耦合效應而引起的翹曲變形的原則下，本文引擎蓋內外板均采用（0°/45°/? 45°/90°）2鋪層方式。材料體系采用T300碳纖維/環氧樹脂體系成型，碳纖維材料采用單向布，經測試，每層單向布在VARI成型后厚度為0.2 mm，成型后內外板厚度均為1.6 mm。

3 碳纖維引擎蓋剛度有限元分析

汽車運行過程中，車身會施加給引擎蓋一定的載荷，引起引擎蓋的變形和振動，這就要求引擎蓋要具有一定的剛度，綜合考慮引擎蓋的使用條件和受力情況，本文采用有限元法對碳纖維引擎蓋的安裝變形、邊緣變形、扭轉剛度、沖擊變形進行有限元分析。

計算中引擎蓋坐標系設置為沿車長方向為軸，沿車寬方向為軸，垂直于引擎蓋方向為軸。

3.1 引擎蓋安裝變形分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動自由度和、方向的轉動自由度，同時在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動自由度和、、方向的轉動自由度。

加載條件：在引擎蓋鎖閂處施加200 N垂直向下的載荷，同時對引擎蓋總成施加重力載荷。引擎蓋約束、加載示意圖如圖2所示。

圖2 引擎蓋約束、加載示意圖

對引擎蓋安裝變形進行有限元分析，計算結果顯示引擎蓋最大變形量為0.79 mm，最大變形出現在鎖閂安裝孔處，小于設計要求的最大變形量2 mm，其余位置整體變形量較小，符合設計要求，引擎蓋安裝變形位移云圖如圖3所示。

圖3 引擎蓋安裝變形位移云圖

3.2 引擎蓋邊緣變形分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動自由度和、方向的轉動自由度，同時在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動自由度和、、方向的轉動自由度。

加載條件：在引擎蓋側梁上施加200 N垂直向下的載荷，同時對引擎蓋總成施加重力載荷。引擎蓋約束、加載模型如圖4所示。

圖4 引擎蓋約束、加載示意圖

圖5 引擎蓋邊緣變形云圖

對引擎蓋邊緣變形進行有限元分析，計算結果顯示引擎蓋最大變形量為1.23 mm，最大變形出現左側邊緣處，小于設計要求的最大變形量7 mm，符合設計要求，引擎蓋邊緣變形云圖如圖5所示。

3.3 引擎蓋扭轉剛度分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動自由度和、方向的轉動自由度，在引擎蓋前端一側緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動自由度和、、方向的轉動自由度。

加載條件：在引擎蓋側前端另一側緩沖塊安裝孔處施加170 N垂直向下的載荷，同時對引擎蓋總成施加重力載荷。引擎蓋約束、加載模型如圖6所示。

圖6 引擎蓋約束、加載示意圖

對引擎蓋扭轉剛度進行有限元分析，計算結果顯示引擎蓋向最大位移為5.51 mm，引擎蓋的扭轉剛度為30.9 N/mm，引擎蓋扭轉剛度變形云圖如圖7所示。

圖7 引擎蓋扭轉剛度變形云圖

3.4 引擎蓋沖擊變形分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動自由度和、方向的轉動自由度，同時在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動自由度和、、方向的轉動自由度。

加載條件：對引擎蓋總成施加4倍的重力載荷。引擎蓋約束、加載模型如圖8所示。

圖8 引擎蓋約束、加載示意圖

對引擎蓋沖擊變形進行有限元分析，計算結果顯示引擎蓋最大變形量為1.32 mm，最大變形出現后部邊緣處，小于設計要求的最大變形量7 mm，符合設計要求，引擎蓋沖擊變形云圖如圖9所示。

圖9 引擎蓋沖擊變形云圖

4 結論

（1）本文針對VARI工藝碳纖維引擎蓋進行研究，建立了引擎蓋的有限元模型，并對引擎蓋的剛度進行了有限元分析，分析結果顯示碳纖維引擎蓋的安裝變形、邊緣變形、扭轉剛度、沖擊變形均符合設計要求。

（2）在滿足剛度前提下，VARI成型碳纖維引擎蓋重量顯著降低，實現了車身輕量化。

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[5] 黃繼峰,周金宇.混雜纖維復合材料汽車引擎蓋結構優化設計[J].現代制造工程,2018(04):76-83.

[6] 李燕龍,李崢,樊樹軍,等.SMC材料在某電動汽車發動機罩蓋上的應用[J].汽車科技,2015(01):71-75.

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Finite Element Analysis of the Stiffness of VARI Forming Carbon Fiber Hood

LI Heng

( Nantong Vocational University, Jiangsu Nantong 226007 )

Carbon fiber lightweight material is an important means to realize lightweight of automobiles, which has a wide application prospect in the automobile field. The VARI molding process carbon fiber hood was studied. The process flow and lay-up of the hood were designed according to the VARI molding process characteristics and mechanical properties of the hood. The finite element model of VARI molded carbon fiber hood was established in the finite element software, and finite element calculation and analysis were conducted on the stiffness of VARI molded hood. The result shows that the installation deformation, edge deformation, torsional stiffness, and impact deformation of the VARI molded carbon fiber hood meet the design requirements, the adoption of VARI molding process can effectively reduce the weight of the hood and achieve lightweight of car body.

VARI;Carbon fiber;Hood;Stiffness;Finite element

U467

B

1671-7988(2021)24-121-04

U467

B

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10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.028

李恒，南通職業大學。

2020年度南通職業大學校級項目（編號：20ZK06）。