新能源汽車大尺寸覆蓋件的優化設計及探討

摘 要：當前絕大部分汽車前機蓋均采用金屬材料制成，其優點是工藝成熟、尺寸穩定。隨著新能源汽車的逐步發展，結合低能耗、低風阻的需求，造型越來越趨向簡潔、流線、封閉前格柵燈風格。而對于前機蓋邊緣R角需求更小，傳統金屬材料成型困難，結合輕量化目標，研究一種大尺寸全塑汽車機艙蓋，結合CAE仿真分析和Modleflow工藝優化，采用注塑成型和膠粘工藝實現輕量化25%以上，本文將對設計過程優化進行探討。

關鍵詞：汽車 輕量化 大尺寸全塑外覆蓋件 前機蓋

1 緒論

近年來低風阻、低能耗、高續航、智能化等成為各大主機廠研究的重點。為提高續航能力，降低能耗，普遍采取流線型外觀設計，前臉格柵封閉式造型來降低風阻系數；同時采用輕量化的材料進行替代。如采用高性能復合材料可減輕汽車零部件約25%的質量，可降低成本20%，因此對輕質材料的研究是汽車輕量化發展的趨勢。

2 高性能復合材料前機蓋的設計研究

2.1 研究方案

基于成熟的功能、材料、結構一體化設計平臺，本文將針對某款新能源汽車的前機蓋進行輕量化設計，研究三個方面內容：基于前機蓋功能需求，研究復合材料的物理特性，選擇合適的材料；基于功能-材料-結構一體化設計平臺下的復合材料前機蓋結構設計及大尺寸高精度的覆蓋件的成型工藝分析；復合材料與復合材料連接技術研究，最終形成一套高性能復合材料前機蓋的評價規范。

2.2 材料選取

基于前機蓋在整車的功能和法規（開啟/關閉、頭碰、抗風阻）等需求，分析復合材料的物理特性與傳統鋼板的差異對比（如表1），選取合適的復合材料。

從表1可以看出鋼板的彈性模量為復合材料的30倍，剛度為復合材料的2.4倍，因此需要通過結構設計達到相同剛度（如圖1）。

優化后與鈑金的扭轉剛度對比見表2。

還通過內板材料中玻纖長度的調整，對整個性能也有顯著的影響，如圖2所示。

經過對比分析，最終前機蓋內板采用PP-LGF40材料，外板采用PP+EPDM-T30材料，整車性能分解有強度要求的位置處通過CAE輔助優化結構及添加不同長度玻纖以達到與鋼板性能相當。

2.3 基于功能-材料-結構一體化設計平臺下的復合材料前機蓋結構設計研究

依據整車功能、性能等目標要求，前機蓋需滿足整車碰撞頭部法規，及外板抗凹特性、抗溫度變化穩定性等，利用成熟的功能-材料-結構一體化設計平臺建立前機蓋數字結構模型，基于CAE分析優化（如圖3、圖4所示）完成滿足結構強度、剛度和良好模流成型能力（如圖5所示）的前機蓋結構開發，適應一系列力學、尺寸、安裝等方面應用需求。

2.4 開發高可靠性、高精度、高性能復合材料-復合材料的連接技術

前機蓋內板和外板采用高分子組分膠連接。測試靜態拉伸強度破壞實驗結果達到10.6 Mpa（如圖6-7所示），膠接性能拉伸疲勞耐久測試結果達106次（如表3膠接性能拉伸疲勞試驗結果）。根據復合材料特性，選取高分子樹脂粘結劑進行粘接，經火焰處理提高復合材料活性，多輪驗證優化后最終獲得可靠的前機蓋總成（如圖8所示）。

3 結論

高性能復合材料的應用為整車重量的降低打開了一個明確的窗口，通過該方案的實施，將完全掌握復合材料在汽車上的設計方案、開發、驗證，取得顯著成效。

（1）前機蓋總成安裝點剛度大于目標值，抗凹性最大位移量小于目標設定，滿足整車性能要求；（2）在滿足整車性能要求的前提下，相比傳統鈑金結構，降低產品總成重量25%；（3）總結出全塑高性能復合材料前機蓋的“材料-功能-結構設計-CAE優化-成型工藝-批量應用”一套設計方法和評價規范。

基金項目：安徽省重大專項（202203f07020008）。

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