改性PDCPD材料在商用車重卡導(dǎo)流罩上的開發(fā)應(yīng)用分析

金泉軍，郝建淦，呂玲芳，王東，陳世盛，李明

浙江吉利遠程新能源商用車集團有限公司，浙江杭州 311228

0 引言

塑料及其復(fù)合材料具有易成型、密度低、比強度高等優(yōu)點，是汽車輕量化材料的最佳選擇。目前，行業(yè)內(nèi)所用玻璃鋼復(fù)合塑料（SMC）是一種利用玻璃纖維增強不飽和聚酯、環(huán)氧樹脂與酚醛樹脂等基體復(fù)合的熱固性材料。此材料在商用車上已被廣泛應(yīng)用，其用量可達200～250 kg/車，占駕駛室重量的20%～30%。雖然玻璃鋼復(fù)合塑料大量應(yīng)用在商用車行業(yè)上，但制造過程中會帶來健康危害和環(huán)境污染問題：首先，玻璃鋼中的玻纖絲接觸皮膚后會引發(fā)過敏性皮炎；其次，玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)中易產(chǎn)生大量玻纖和樹脂粉塵，極大危害人體健康[1-2]。另外，玻璃鋼產(chǎn)品生產(chǎn)過程中會釋放大量的含苯等有害物，會對健康造成傷害，并污染大氣環(huán)境[3-4]。本文通過導(dǎo)流罩內(nèi)外板均采用改性聚雙環(huán)戊二烯（PDCPD）塑料鋼材料替代SMC，在滿足產(chǎn)品輕量化的基礎(chǔ)上，通過產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化達到零件的剛度和強度滿足設(shè)計要求，為PDCPD產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支持[5-8]。

1 改性PDCPD材料性能分析

1.1 主要原料

本研究方案中改性PDCPD材料主要由A、B兩組組分構(gòu)成，主要包括多環(huán)烯烴、丁苯共聚物以及催化劑與添加劑等原料，具體原料的信息見表1。將A組分、B組分按照1∶1在混合頭中快速混合均勻，然后注入提前預(yù)熱好的鍛造鋁模具中，讓混合組分在極短的時間內(nèi)引發(fā)聚合反應(yīng)，從而制備導(dǎo)流罩產(chǎn)品，RIM 工藝成型流程如圖1所示。

圖1 RIM工藝成型流程

表1 原料信息

1.2 材料力學性能

將經(jīng)RIM工藝注射成型的導(dǎo)流罩制品材料制備成標準測試樣條，分別進行材料力學測試。①密度。基于GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的測定 第1部分：浸漬法、液體比重瓶法和滴定法》中的方法A，通過DH-120T型電子比重計進行密度測試，獲得密度為1.054 g/cm3。②抗拉強度。根據(jù)GB/T 1040.2—2022《塑料 拉伸性能的測定 第2部分：模塑和擠塑塑料的試驗條件》，將試樣制備成1A類型，拉伸速度設(shè)定為50 mm/min，通過TCS-2000拉力試驗機進行強度試驗，獲得抗拉強度為51.1 MPa。③彎曲強度。依據(jù)GB/T 9341—2008《塑料 彎曲性能的測定》，將試驗制備跨距設(shè)置成64 mm，彎曲速度設(shè)定為2.0 mm/min，通過TCS-2000拉力試驗機測試，獲得彎曲模量為82.9 MPa，彎曲強度為2150.0 MPa。④沖擊強度。按照GB/T1043.1—2008《塑料 簡支梁沖擊性能的測定 第1部分：非儀器化沖擊試驗》，將試樣制備成80 mm×10 mm×3 mm條狀，缺口類型選擇A型，跨距為62 mm，沖擊速度設(shè)定為2.9 m/s，通過GT-7045-MD擺錘沖擊試驗機進行測試，獲得23 ℃缺口沖擊強度為32 kJ/m2。由表2可見，PDCPD材料拉伸強度與行業(yè)主流材料性能基本相當，而彎曲強度對比行業(yè)主流材料性能提升3.62%以上，彎曲模量對比行業(yè)主流材料性能提升了13.15%以上，缺口沖擊強度對比行業(yè)主流材料性能提升3.22%以上。

表2 改性PDCPD材料性能分析

2 改性PDCPD材料導(dǎo)流罩的CAE分析

2.1 有限元模型建立

首先采用建模軟件對導(dǎo)流罩總成（包括頂導(dǎo)流罩1、右側(cè)上導(dǎo)流罩2、左右側(cè)下導(dǎo)流罩3與左側(cè)導(dǎo)流罩4）建模，如圖2所示。首先，進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格采用6 mm×6 mm殼單元；隨后，采用bolt連接方式對螺栓連接部位進行模型簡化；最后，針對安裝在車體上的導(dǎo)流罩支架123456六個自由度進行全約束，約束模式如圖3所示。給各結(jié)構(gòu)模型賦予材料屬性，性能要求見表3。對基于改性PDCPD材料的導(dǎo)流罩產(chǎn)品進行模態(tài)、靜態(tài)強度、動態(tài)強度以及剛度分析驗證。

圖2 導(dǎo)流罩結(jié)構(gòu)

圖3 導(dǎo)流罩約束模式

表3 材料屬性性能要求

2.2 模態(tài)分析

基于約束模態(tài)分析，重點提取前四階模態(tài)進行對比分析，通過表4可以看出，導(dǎo)流罩總成前四階模態(tài)分別為28.30 Hz、31.96 Hz、32.32 Hz、33.38 Hz，均高于目標值25.00 Hz，并且分別高于設(shè)計目標值13.2%、27.84%、29.28%、33.52%。同時基于圖4發(fā)現(xiàn)，一階、二階、四階模態(tài)中振型較大部位均在右側(cè)上、下導(dǎo)流罩，三階模態(tài)中振型較大部位在左側(cè)下導(dǎo)流罩。

表4 導(dǎo)流罩總成前四階約束模態(tài)數(shù)據(jù)

2.3 強度分析

基于導(dǎo)流罩總成強度要求，重點分析靜態(tài)強度與動態(tài)強度。

（1）靜態(tài)強度分析。主要包括4個工況，分別為風壓工況、X向工況、Y向工況、Z向工況，具體要求參考表5，結(jié)果如表6、圖5所示。通過分析可以看出，在風壓工況下導(dǎo)流罩總成最大應(yīng)力為1.977 MPa；在X向工況下導(dǎo)流罩總成最大應(yīng)力為4.368 MPa；在Y向工況下導(dǎo)流罩總成最大應(yīng)力為9.721 MPa；在Z向工況下最大應(yīng)力為3.700 MPa。基于四種工況的強度分析結(jié)果可以看出，Y向工況導(dǎo)流罩總成受到的應(yīng)力最大，但最大應(yīng)力遠小于設(shè)計要求的40.000 MPa（≤0.8倍的PDCPD材料的抗拉強度），說明不同工況下的強度分析結(jié)果均滿足設(shè)計要求。同時受力較大部位均在右大燈裝飾板。

圖5 導(dǎo)流罩靜態(tài)強度最大應(yīng)力分析

表5 導(dǎo)流罩總成靜態(tài)強度加載要求

表6 導(dǎo)流罩總成靜態(tài)強度分析結(jié)果

（2）動態(tài)強度分析。主要包括X向振動、Y向振動、Z向振動，并要求對其約束點施加加速度，具體要求參考表7所示，頻率掃描范圍在1050 Hz，分析結(jié)果如表8、圖6所示。通過分析可以看出：在X向振動下受到的最大應(yīng)力為14.259 MPa；在Y向工況下受到的最大應(yīng)力為17.451 MPa；在Y向工況下受到的最大應(yīng)力為9.721 MPa；在Z向振動工況下受到的最大應(yīng)力為21.096 MPa。基于4種工況的強度分析結(jié)果可以看出：不同工況下承受的最大應(yīng)力均小于設(shè)計要求的25.000 MPa（≤0.5倍的PDCPD材料的抗拉強度）；同時X向與Y向工況受力較大部位都是在右側(cè)下導(dǎo)流罩，Z向工況受力較大部位在頂導(dǎo)流罩。

圖6 導(dǎo)流罩動態(tài)強度最大應(yīng)力分析

表7 導(dǎo)流罩總成動態(tài)強度加載要求

表8 導(dǎo)流罩總成動態(tài)強度分析結(jié)果

2.4 剛度分析

基于模態(tài)分析結(jié)果，針對產(chǎn)品薄弱部位進行剛度分析。剛度分析測試位置如圖7所示，并且要求在測試位置直徑30 mm范圍內(nèi)法向加載200 N負荷，分析結(jié)果如表9、圖8所示。通過分析可以看出，測試點1與測試點2右側(cè)下導(dǎo)流罩部位的位移分別為14.30 mm、11.41 mm；測試點3與測試點4右側(cè)上導(dǎo)流罩部位的位移分別為15.83 mm、15.91 mm；測試點5與測試點6頂導(dǎo)流罩部位的位移分別為10.45 mm、7.90 mm；測試點7左側(cè)上導(dǎo)流罩部位的位移為11.91 mm；測試點8左側(cè)下導(dǎo)流罩部位的位移為8.83 mm。通過綜合評價測試點結(jié)果，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)薄弱部位的剛度均小于設(shè)計目標（設(shè)計最大位移≤16.00 mm），可滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。

圖7 導(dǎo)流罩動態(tài)剛度分析測試點

圖8 導(dǎo)流罩測試點剛度分析結(jié)果

表9 剛度分析結(jié)果

3 結(jié)論

采用密度為1.054 g/cm3的改性PDCPD材料制備導(dǎo)流罩，產(chǎn)品可實現(xiàn)減重30%以上。

（1）材料性能分析結(jié)果。抗拉強度為32 MPa，彎曲強度為82.9 MPa，彎曲模量為2150.0 MPa，室溫缺口沖擊強度為32.0 kJ/m2，均高于國外主流的PDCPD材料要求。

（2）零件設(shè)計分析結(jié)果。基于模態(tài)分析，最小的一階模態(tài)為28.3 Hz，前四階模態(tài)頻率均可滿足設(shè)計要求的≥25.0 Hz以上；針對靜態(tài)強度分析進行風壓工況、X向工況、Y向工況、Z向工況分析，獲得導(dǎo)流罩總成最大應(yīng)力僅為9.721 MPa，小于設(shè)計要求的靜態(tài)強度40.000 MPa；對于動態(tài)強度分別進行X、Y、Z向振動分析，導(dǎo)流罩總成最大應(yīng)力僅為21.1 MPa，小于設(shè)計要求的動態(tài)強度25 MPa；針對薄弱部位的剛度分析，導(dǎo)流罩總成最大變形量為15.909 mm，剛度值小于設(shè)計要求的16 mm。綜合分析可以看出，該結(jié)構(gòu)能夠滿足設(shè)計要求。