塑料尾門耐慣性力分析及結構優化

【摘要】根據GB 15086—2013的試驗方法和技術要求，以塑料尾門為研究對象，建立有限元分析模型，進行了耐慣性力分析和結構優化。首先，基于塑料尾門的結構設計可行性，利用尾門結構耐慣性力仿真分析模型對塑料尾門的失效運動模式以及結構應力進行了預測和分析；其次，采用增加尾門內板載荷傳力路徑和局部料厚的結構優化方案，解決了塑料尾門在慣性載荷下的結構失效和開裂問題；最后，通過臺架試驗驗證了塑料尾門優化方案的可靠性以及仿真分析模型的準確性。

關鍵詞：塑料尾門 耐慣性力 仿真分析 結構優化 臺架試驗

中圖分類號：U463.83；U465" 文獻標志碼：A" DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20230086

Plastic Tailgate Inertia Resistance Analysis and Structural Optimization

【Abstract】Based on the experimental method and technical requirements of GB 15086—2013， a finite element analysis model was established to analyze inertial force resistance and optimize plastic tailgate structure. Firstly， the plastic tailgate structure failure motion mode and stress of inertial force resistance was predicted and analyzed based on the structural design feasibility of plastic tailgate by using finite element analysis model simulation; secondly， the issue of structural failure and cracking of plastic tailgate under inertial load were solved by adopting the method of structural optimization scheme through increasing the load transmission path of the tailgate inner plate and strengthening the local material thickness. Finally， the reliability of the optimization scheme of the plastic tailgate and the accuracy of the simulation analysis model were verified by the bench test.

Key words： Key words： Plastic tailgate， Inertial force resistance， Finite element analysis， Structural optimization， Bench test

1 前言

為了防止在車輛正面碰撞、側面碰撞、追尾或者翻轉事故中車門意外打開，GB 15086—2013《汽車門鎖及車門保持件的性能要求和試驗方法》規定了車輛的慣性載荷技術要求，相應試驗不僅考核門鎖和車門保持件的強度性能，也同步考核車門結構的耐慣性力和強度性能，要求在試驗過程中，門鎖和車門鉸鏈不能出現拉脫失效導致車門打開，車門結構自身也不能出現失效開裂等問題，進而導致門鎖和車門鉸鏈拉脫使得車門自行打開[1]。

目前，汽車側門、尾門基本采用金屬材質，由于鈑金的強度高、延展性能好且鈑金車門結構設計開發技術成熟，GB 15086—2013慣性載荷試驗強度考核較易通過。因此，在鈑金車門前期設計過程中，重點考慮車門其他方面的剛度、強度性能要求。隨著汽車輕量化和新材料的研究日趨深入，復合材料開始在尾門中應用，而復合材料的彈性模量只有鈑金的1/25[2]。在前期設計時，需要對塑料尾門結構性能強度進行預測和分析，確保滿足GB 15086—2013慣性載荷技術要求。張紹偉等人采用CAE虛擬分析工具解決了塑料尾門的慣性載荷試驗失效問題，但其尾門分析模型集成了車身端，模型總網格數量相對較多，分析時間較長、效率較低[3]。

本文以某車型的塑料尾門為研究對象，根據GB 15086—2013動態載荷試驗工況下的耐慣性力性能要求，利用有限元分析方法建立尾門耐慣性力分析模型，分析尾門結構應力狀態及內板開裂、失效原因，并通過結構優化設計提升尾門結構剛度、強度，解決尾門耐慣性力失效問題，最后通過臺架試驗驗證結構優化方案的可靠性。

2 塑料尾門結構總成設計

2.1 塑料尾門結構

本文研究的塑料尾門結構由尾門內板、尾門外板及金屬加強板3個部分組成，如圖1所示。總成尺寸為919 mm×1 348 mm×907 mm，尾門內、外板通過注塑工藝成型，其中，沖壓成型的金屬加強板采用嵌件注塑工藝與尾門內板注塑在一起，尾門內、外板通過涂膠（Bonding）工藝組裝在一起。

該車型塑料尾門上集成了各種功能附件，如采用交互式系統控制（Interactive System Control，ISC）的智能貫穿式尾燈、夾層隔音后風窗玻璃等。塑料尾門對稱中心線處的斷面圖及不同車型尾門質量和尾燈黑箱深度如圖2所示，由圖2可以看出，本文尾門質量在對標車型尾門中相對較大，同時，貫穿式尾燈的黑箱尺寸較大，嚴重影響尾門腰部腔體尺寸和剛度性能，而塑料尾門與鈑金尾門的剛度、強度及耐久性能要求相同，因此，這些附件不僅影響塑料尾門系統的質量和布置空間，而且給塑料尾門的結構性能開發帶來了極大挑戰。

2.2 材料選型

通過調查現有量產車型的塑料尾門，梳理了采用塑料尾門的主要車型相關信息，如表1所示[4]。從表1中可以看出，尾門外板均采用聚丙烯（Polypropylene，PP）熱塑性材料添加三元乙丙橡膠（Ethylene Propylene Diene Monomer，EPDM）增韌以及不同配比的滑石粉的抗沖擊改性塑料PP+EPMD+T20或者PP+EPMD+T30[5]。由于30%滑石粉填充的尾門外板PP+EPMD+T30更具成本優勢，且強度與韌性平衡，尺寸穩定性好，大部分尾門外板逐漸改為采用PP+EPMD+T30材料。

根據成型工藝不同，尾門內板通常選擇熱塑性材料PP+長玻璃纖維（Long Glass Fiber，LGF）或熱固性材料片狀模塑料（Sheet Molding Compound，SMC）。但SMC密度相對較高，成型性也相對較差，輕量化效果和造型自由度不如熱塑性材料PP，故SMC不是塑料尾門內板的首選材料。而LGF增強改性PP材料具有高剛性、高模量和尺寸穩定性好等特征，是汽車行業研究和應用的熱點[6]。目前PP-LGF40（聚丙烯+40%長玻璃纖維）和PP-LGF30（聚丙烯+30%長玻璃纖維）均在內板應用[7]。對于金屬加強板，各整車制造商有相應的應用策略。

綜上，本文尾門內板采用PP-LGF40材料，外板采用PP+EPMD+T30材料，金屬加強板采用冷軋深沖高強鋼HC260Y。

2.3 厚度設計

塑料尾門內、外板的厚度尺寸設定需考慮注塑模具壓力、澆口布置等工藝因素，并兼顧內板承力結構的力學性能需求和外板抗凹/零件美觀需求。從表1中可以看出，內板厚度在特定區間范圍內，主要考慮尾門鎖、鉸鏈、空氣彈簧等附件在尾門內板上的安裝剛度以及整體剛度需求，對內板局部進行了加厚處理。同時，在內板關鍵結構位置采用嵌件注塑工藝鑲嵌了不同厚度的金屬加強板。尾門外板更多關注外觀質量，厚度應相對統一，通常在2.8～3.0 mm范圍內。

綜上，本文塑料尾門內、外板主料厚均設為2.8 mm。根據加強作用和布置位置不同，金屬加強件的厚度主要有1.0 mm、1.4 mm和2.0 mm等[8]。

3 塑料尾門耐慣性力有限元分析

3.1 基于試驗要求的分析模型簡化

根據GB 15086—2013的試驗要求，需將尾門裝配到車身上，且尾門需安裝鎖、撐桿和鉸鏈等保持件，確保與車輛的設計狀態一致，如圖3a所示。試驗車身需固定在試驗臺架上，試驗臺架按照標準中的動態要求，在對應的縱向軸X、橫向軸Y、垂直軸Z平行方向施加30～36 g范圍內的慣性載荷，載荷曲線如圖3b所示。

為了精簡分析模型的網格節點數量并縮短求解時間，需對尾門慣性載荷分析模型進行簡化。尾門與車身端的連接主要包括鉸鏈、尾門鎖、緩沖塊和密封條，該連接關系在建模時可以簡化成剛性力學屬性，不需要考慮接觸力（Contact Force）。因此，分析模型可以不附帶車身，通過對尾門結構與車身端連接屬性進行簡化建模模擬尾門安裝在車身上，并賦予相關剛度力學屬性。尾門的自接觸采用*AUTOMATIC_SINGLE_SURFACE模擬，膠連接采用*CONTACT_NODE_TO_SURFACE模擬。約束相關邊界，并將慣性載荷根據不同方向分別加載在鉸鏈和尾門鎖上，近似等效模擬尾門安裝在車身上及車身傳遞到尾門上的慣性載荷，如圖4所示。

3.2 塑料尾門有限元模型建立

3.2.1 仿真模型前處理

將塑料尾門三維幾何模型導入HyperMesh軟件，幾何模型包含尾門外板、內板、金屬加強件、尾門鎖、鉸鏈和膠等。在HyperMesh中對幾何模型進行抽取中面、幾何清理和網格劃分等前處理操作后，進行網格單元劃分。為了提高模型分析結果的準確性，網格劃分盡量采用四邊形單元和大小為5 mm的殼單元，且三角形數量不超過總單元數量的5%。

塑料尾門有限元模型中，膠用六面體實體單元模擬，金屬加強板與內板間的連接采用rb2單元模擬。尾門鎖內部子零件較為復雜，因此只對鎖金屬外殼進行簡化建模，通過rb2單元模擬尾門鎖與尾門的螺栓連接，如圖5所示。

內板與外板膠采用六面體單元模擬，鉸鏈與尾門的螺栓連接也采用rb2單元模擬，電撐桿采用Beam單元模擬，密封條與緩沖塊采用CBUSH1D單元模擬，并定義相應力學屬性。各材料參數如表2所示。

3.2.2 約束邊界和慣性載荷設置

仿真分析采用DYNA動態顯式求解器，結合物理試驗方法和要求設置模型的約束邊界和慣性載荷。考慮尾門自身重力和撐桿力，根據試驗慣性載荷加載方向的不同，將載荷分別直接加載在鉸鏈和尾門鎖上，近似等效模擬尾門安裝在車身上及車身傳遞到尾門上的慣性載荷，具體約束和載荷如圖6所示。

根據GB 15086—2013的試驗要求，需要分別在縱向軸、橫向軸、垂直軸平行方向施加36 g的上限慣性載荷進行分析。各工況定義和零件約束邊界、慣性載荷及方向定義如表3所示，其中，Xr、Yr、Zr分別為沿X軸、Y軸、Z軸的轉動自由度。

模型中需要設置應力應變失效準則來模擬開裂失效問題，推薦最大應力不超過0.9倍破壞應力，否則網格單元將會失效。設置網格單元的失效后，可以通過分析動畫結果快速判斷尾門內板等結構件是否存在開裂、失效風險。

3.3 塑料尾門耐慣性力仿真分析

3.3.1 縱向耐慣性力強度分析

X向加載結果如圖7所示。由圖7可知，鉸鏈和尾門鎖安裝區域附近尾門結構無失效開裂問題，應力結果在設計要求范圍內，滿足耐慣性試驗要求。

3.3.2 橫向耐慣性力強度分析

尾門結構相對于車輛縱向中心平面對稱，因此仿真中可以只分析+Y或者-Y加載方向，結果如圖8所示。從圖8中可以看出，安裝鉸鏈處尾門結構無失效開裂問題，但是尾門鎖附近的尾門結構出現開裂和失效問題，存在尾門鎖脫離尾門的風險。

3.3.3 垂向耐慣性力強度分析

垂向加載結果如圖9所示。從+Z方向加載結果來看，尾門結構無開裂失效問題。但-Z方向加載分析結果表明，尾門內板腰部位置撕開，導致大面積開裂，同時尾門鎖安裝面的尾門結構開裂失效，尾門鎖連同金屬加強件脫離內板，不滿足耐慣性試驗要求。

4 塑料尾門結構優化分析和試驗驗證

4.1 尾門結構優化分析

從分析動畫結果可以看出，尾門內板腰部位置剛度、強度差，受載時變形較大，容易引起開裂問題。其主要原因是貫穿尾燈黑箱尺寸過大，極大地削弱了尾門腰部腔體截面剛度。從應力分析結果來看，尾門鎖附近的內板應力較大，需要優化和加強此處結構強度。常用的優化方案有：優化或增加傳力路徑，減少薄弱處載荷輸入；在薄弱處進行結構優化，提高結構剛度、強度。

4.1.1 內板優化或增加傳力路徑

主要通過橫梁加寬提升截面慣性矩，從而增強內板結構剛度，如圖10所示。同時，加強尾門內板與尾門外板的膠粘連接，通過增加內板傳力路徑降低對內板的慣性載荷沖擊，在內板上延伸出涂膠結構到外板背面，在內板左、右對稱位置增加2條與外板的膠路連接，如圖11所示。

4.1.2 內板局部位置結構優化和加厚

在尾門內板背面腰部位置增加多條豎向加強筋支撐，提升此處的結構剛度，如圖12所示。

優化安裝尾門鎖附近的內板厚度，并進行局部加厚，從原3.0 mm過渡到2.8 mm的方案調整為3.5 mm過渡到2.8 mm。同時，尾門鎖附近增加四面合圍的加強筋，提升尾門鎖附近結構剛度，如圖13所示。

4.1.3 優化方案仿真分析

對結構優化后的方案進行有限元仿真分析，對塑料尾門縱向、橫向和垂向進行慣性載荷分析，各分析工況下仿真結果應力云圖如圖14～圖16所示。

與優化前設計方案相比較，優化后尾門結構方案最大變形量和塑性應變得到大幅改善，尾門結構無開裂、失效等問題。從分析結果可以得出，塑料尾門結構在橫向和垂向的慣性加載下的塑性應變滿足要求，開裂風險較低。

4.2 耐慣性力臺架試驗驗證

臺架試驗以尾門安裝到白車身上的形式開展，并將白車身固定在試驗臺架上，在橫向和垂向上進行慣性載荷測試，完成后，將白車身尾端切割，并倒扣于試驗臺架上，進行縱向慣性載荷測試。根據GB 15086—2013的要求，尾門需要安裝鎖、撐桿和鉸鏈等保持件，確保與實車一致。在慣性載荷加載試驗過程中，塑料尾門未發現開裂失效等問題，尾門一直鎖止在關門位置未打開，滿足標準要求，如圖17～圖19所示，同時側面說明了耐慣性力分析模型的準確性以及優化方案的可靠性。

5 結束語

本文以塑料尾門滿足GB 15086—2013耐慣性力試驗要求為設計目標，建立了塑料尾門的耐慣性力仿真分析模型，并對失效準則進行安全設置。基于仿真分析模型及其分析結果，對內板的主干橫梁進行了加寬設計，增加了連接膠路設計等傳力路徑的加強方案，對腰部強度薄弱處增加加強筋以提升結構剛度，對尾門鎖安裝區域附近的結構進行了局部加厚及增加加強框的設計，并通過臺架試驗驗證了分析模型的準確性以及優化方案的可靠性。

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