某車型PDCPD導流罩開發研究

張瑞俊　張錦宙　李建衡

摘 要：為了降低某商用車重量，提升其輕量化性能;對其導流罩使用輕量化材料，進行輕量化設計，在保證性能與標桿產品持平的前提下實現重量降低。標桿產品使用SMC，輕量化材料使用PDCPD。PDCPD材料剛度低于SMC材料，為保證產品剛度，首先以剛度目標為導向，使用仿真優化輔助產品結構設計，實現產品剛度性能達標。產品剛度性能達標后，局部位置出現應力集中，對應力集中的位置局部加強及改進，實現產品強度達標;最終實現產品剛度、強度仿真分析結果均達標，并且實現產品重量降低40%。

關鍵詞：輕量化 導流罩 PDCPD 仿真優化 結構設計

1 前言

近年來，隨著我國汽車工業的快速發展，商用車作為一種重要的生產資料，產銷量不斷提高。隨著新版GB1589-2016的實施，加之國家對于限超治超整治力度的加大，客戶購買重卡是對車輛自重的關注越來越強烈，數據表明，汽車重量每降低10%，可降低油耗6%～8%。自重降低不僅為客戶降低了油耗，針對載貨車而言，自重的降低也意味者司機出車科載重更多的貨物，提升單趟出的經濟效益[1]。當前重型汽車排放要求和載重量限制要求的不斷提升，輕量化已成為商用車核心技術，新材料、新技術的應用對提高汽車核心技術及競爭力有重要作用。

PDCPD（聚雙環戊二烯）作為一種新興材料，在輕量化、抗沖擊、耐腐蝕性及環保上較現有玻璃鋼材料具有明顯的優勢，已在國外得到大范圍應用，國內目前在工程機械上應用較多，商用車領域各大企業在外飾產品上也做了諸多嘗試及研究。本文對商用車PDCPD導流罩設計及關鍵技術做簡要論述，旨在為行業提供參考。

2 PDCPD導流罩設計

2.1 PDCPD導流罩性能初步分析

現狀導流罩多使用SMC材料，材料密度1.8g/cm3，材料彎曲模量11GPA;PDCPD導流罩材料密度1.03g/cm3，材料彎曲模量2Gpa。PDCPD材料密度為SMC材料的57.2%，彎曲模量為SMC材料的18.2%，需重點關注PDCPD導流罩剛度性能;導流罩為外飾結構功能件，行車過程受風壓及振動，同時需關注其強度性能。

2.2 PDCPD導流罩性能目標

為保證PDPCPD導流罩在使用過程中滿足服役性能要求，應用虛擬仿真優化技術對設計方案剛度及強度進行全方位的分析驗證及優化;設定PDCPD導流罩仿真分析關鍵性能目標見下表1、表2。

2.3 PDCPD導流罩結構設計

PDCPD材料彎曲彈性模量為SMC產品的18%，導流罩使用PDCDP產品設計，首先需解決的問題是剛度問題。通過對標桿SMC導流罩分析，判斷導流罩變形大位置，進行加強。

（1）標桿SMC產品最大變形分析。

a頂導流罩最大變形在導流罩中部位置，且前后兩側均有較大變形，如下圖1所示。

b側導流變形位置在側導流罩后部位置，且上下均有變形點，如下圖2所示。

（2）PDCPD導流罩產品設計時，由于材料彎曲模量遠低于SMC材料;需在標桿產品變形大位置進行加強，可采用加強筋、金屬骨架、玻纖增強材料非金屬骨架、增加壁厚等加強方案;綜合性能、成本、重量進行最優化考慮，最終確定的設計方案為使用外板本體+筋條+筋條位置局部加厚+PDCPD非金屬骨架的設計方案;頂導流罩在前側及后側均布置加強骨架，并在中部設計加強筋;側導流罩在后部設計加強骨架，并設計均布的加強筋。導流罩本體材料使用PDCPD，基本厚度3mm，加強筋位置局部加厚至7mm;加強骨架基本壁厚1.5mm，并根據強度分析結果局部加強，加厚;加強筋高度13mm，底部厚度2mm;整體布置設計方案如下圖3所示。

2.4 設計分析優化及驗證

2.4.1 剛度仿真分析

對比標桿產品及PDCPD導流罩設計方案，PDCPD導流罩剛度仿真分析滿足設計目標。一階模態分析，PDCPD導流罩一階模態，與標桿產品相近，滿足性能目標，詳細分析結果如下表3所示;最大變形分析：PDCPD導流罩整體最大變形低于標桿產品最大變形，滿足性能目標，其中PDCPD頂導流罩最大變形低于標桿產品，側導流罩變形高于標桿產品，詳細分析結果如下所示。

2.4.2 強度仿真分析

由于使用的PDCPD骨架基本壁厚僅1.5mm，骨架分析過程中出現了應力較大問題，對應力大的位置進行多輪優化，如局部加厚，圓角加大、拓撲優化設計、切除應力大區域實行應力轉移等方案，強度均不低于標桿產品。PDCPD產品扶手受力工況、X向、Y向以及Z向振動分析安全系數均高于標桿產品;風壓工況扶手工況低于標桿產品，但安全系數≥1.3，強度仿真分析滿足要求。分析驗證結果如下所示：

2.4.3 質量測定

標桿產品實物重量測試為22.11Kg;PDCPD產品按材料密度1.03g/cm3，通過CATIA測定3D重量為12.6Kg，PDCPD產品相對標桿產品實現重量降低9.5Kg，將重幅度43%，具有良好的輕量化效果，并且由于重量大幅降低，使用國產PDCPD材料生產，成本也具有一定優勢。

3 結語

在保證零件性能的基礎上，通過仿真優化分析級結構設計，PDCPD導流罩相對常規SMC導流罩降重可達40%，具有良好的輕量化效果，可推廣至商用車發罩、前面板、保險杠、側圍、側護裙等零件，具有良好的應用前景;國產PDCPD材料已初具規模，使用國產材料可以在降重的同實現實現成本不增加，替代傳統模壓SMC零件。PDCPD模具投資約為模壓SMC的50%，開發投資低，而且材料環保性更好，可回收再利用，有助于汽車外飾零部件產業轉型、環保及輕量化升級。

參考文獻：

[1]張輝.重卡外飾件輕量化設計方法研究.陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，2020.