馮 奇

(上海汽車集團股份有限公司,上海 201804)

0 前言

翼子板是遮蓋車輪的車身外板，在汽車行駛過程中防止被車輪卷起的砂石、泥漿等飛濺，保護車身，增加汽車車身的使用壽命。同時,翼子板還要滿足汽車外造型，并給保險杠、擋泥板、組合燈、轉向燈等汽車外飾件及附件提供安裝支撐，因此需要具有一定的承受載荷和抵抗變形的能力[1-5]。隨著汽車產業(yè)中關于車身材料輕量化的發(fā)展趨勢，碳纖維作為輕質高強的纖維材料已被廣泛應用于制備一些樹脂基復合材料以實現(xiàn)力學性能的增強[6-9]。由于翼子板屬于車身覆蓋件，其外板造型不能隨意改變，因此在使用碳纖維復合材料進行翼子板的設計開發(fā)受到原件造型限制，對其非造型面的局部結構進行優(yōu)化設計或在其造型面內側增加材料和支撐結構，這也使得結構設計受到了極大的限制[10-12]。

筆者根據(jù)碳纖維復合材料翼子板的結構要求，對其非造型面的局部結構或在造型面內側增加材料和加強結構進行正向設計。以上汽EP11新能源車的翼子板結構為基礎，使用碳纖維增強復合材料替代原來的鈑金材料，在保證翼子板設計性能要求的前提下，充分考慮翼子板的裝配關系，采用計算機輔助設計方法對翼子板結構進行正向設計，實現(xiàn)結構輕量化。翼子板形狀基本保持不變，對其各設計硬點之間的連接部位，優(yōu)化翼子板各區(qū)域的尺寸的厚度參數(shù)。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

實驗選用XB 3585樹脂(享斯近化工貿易上海有限公司)、Aradur 3487固化劑(亨斯邁化工貿易上海有限公司)作為基體樹脂材料，以臺麗TC-33 3K碳纖維(宜興恒亞碳纖維公司)作為增強碳纖維材料。原料基本性能指標見表1和表2。

表1 基體材料及固化劑基本性能

表2 增強碳纖維基本性能

1.2 樣品制備

翼子板的幾何模型的基本尺寸為780 mm×170 mm，在重心位置留有一個澆口。整體灌注成型過程包括：模具表面處理、碳纖維鋪層、鋪放輔助材料、抽真空(真空度為-0.07～-0.08 MPa)、灌注配置樹脂、固化、脫模、切割及打磨、小件連接、油漆及拋光處理。

1.3 性能測試與表征

1.3.1 碳纖維復合材料翼子板主體結構

原鋼制翼子板為單片鋼板多序沖壓成型，厚度為0.65 mm。充分考慮碳纖維復合材料制造工藝和翼子板的裝配關系，并保證造型面和硬點安裝面不變，通過向造型面內改變板厚及采用加強結構的方法進行碳纖維翼子板主體設計。將原鋼制翼子板三維模型導入Catia軟件中，利用曲面設計模板中的抽取面功能，將設計硬點要求的各造型面及裝配面提取出來，選擇在主體造型面外側或垂直于主體造型面的裝配面與主體一體成形。利用曲面橋接功能設計裝配面與主體造型面之間的連接曲面，將設計的曲面加厚即可得到翼子板三維主體模型。翼子板主體結構設計結果見圖1：翼子板主體與部分硬點一體成形；部分硬點與翼子板主體的過渡面采用簡單曲面，并消除局部凸起結構；為了部分硬點剛度，在翼子板內表面增加加強結構；注意消除與裝配件的干涉。

(a) 翼子板裝配硬點圖

(b) 翼子板變厚度設計圖

1.3.2 碳纖維復合材料翼子板裝配硬點設計

硬點連接翼子板及周圍的裝配件，其設計要求有足夠的剛度，并且與周圍裝配件不發(fā)生干涉。為了方便碳纖維復合材料翼子板的制造加工，部分需要單獨設計加工，并通過膠接形式與碳纖維復合材料翼子板主體相連，膠接采用改性環(huán)氧樹脂結構膠(23 ℃時，剪切強度約為38 MPa)。原翼子板結構中，部分硬點與翼子板主體之間有較長的連接面，連接曲面復雜，并有加強筋，不利于碳纖維復合材料硬點的制造成形。在新設計的結構中，用曲面橋接功能在裝配面與主體造型面之間建立簡單曲面，避免了局部結構突變導致過渡圓角過小引起的碳纖維復合材料分層以及碳纖維扭曲或斷裂，改善硬點的制造性。新設計硬點結構與原結構比較見圖2。

(a) 原結構1 (b) 原結構2 (c) 原結構3 (d) 原結構4 (e) 原結構5 (f) 原結構6

(g) 新結構1 (h) 新結構2 (i) 新結構3 (j) 新結構4 (k) 新結構5 (l) 新結構6

圖2 翼子板裝配面

將設計得到的翼子板安裝點結構與翼子板主體連接即可得到滿足設計結構要求和制造要求的碳纖維復合材料翼子板結構。利用有限元方法對碳纖維復合材料翼子板性能進行仿真分析。

2 結果與討論

2.1 碳纖維復合材料翼子板有限元模型

碳纖維復合材料翼子板在實際使用過程中主要承受靜態(tài)載荷，且結構在厚度方向尺寸與其他方向尺寸相比很小，采用殼單元對翼子板主體和硬點結構進行離散化處理。使用Altair公司的Hypermesh軟件進行幾何清理和網格劃分。網格基本尺寸為8 mm，單元類型為S4R和S3。螺栓采用剛性單元模擬，加強結構、單獨成形硬點與翼子板主體連接用Coupling模擬。有限元模型見圖3，殼單元總數(shù)為11 249，其中三角形單元數(shù)量為392，所占比例為3.48%。

圖3 Hypermesh中翼子板有限元模型

在完成翼子板結構網格的劃分后，為了保證計算過程的順利進行，同時確保仿真結果的精度，需要對建立的有限元模型的連續(xù)性和網格質量進行檢查。若存在不連續(xù)的部位，可通過軟件中的縫合功能將不連續(xù)的節(jié)點通過定義合理的距離容差連接起來。殼單元網格質量的檢查指標通常為網格的翹曲度、長寬比、最小角度和最大角度、雅可比值以及三角形網格數(shù)目比例等。一般翹曲度應不大于10，長寬比應小于5，網格最小角度不小于30°，最大角不大于120°，而雅可比值一般不小于0.6，三角形單元數(shù)目占網格總數(shù)的比例應小于5%。

根據(jù)上述標準，對翼子板網格質量進行檢查，結果表明所建立的模型質量完全滿足計算精度要求，可用于下一步的仿真分析。再將Hypermesh中的網格模型導入Abaqus軟件中，在每個平面或者接近平面的曲面內，建立一個局部坐標系用于定義碳纖維復合材料的鋪層方向，見圖4。

圖4 Abaqus中翼子板有限元模型

2.2 主體剛度評價

翼子板邊界條件見圖1(a)，約束安裝硬點六個自由度，定義球形加載器載荷(220 N)和重力載荷，在外板幾何中心的最大無支撐區(qū)施加載荷。球形加載器的直徑為25.4 mm，由于加載球頭硬度比碳纖維復合材料高許多，并且在分析過程中只關注翼子板應力和變形即可，因此在仿真分析時球頭可以作為剛體處理。進行碳纖維復合材料翼子板剛度和抗凹性分析時，在Abaqus軟件中建立球頭的解析剛體模型，并在軟件中進行球頭和翼子板的相對位置的裝配以保證加載位置的準確。為了保證加載過程的模擬，需要定義球頭與翼子板之間的接觸。選擇球頭表面為主面，翼子板接觸面為從面，定義接觸屬性為硬接觸。

翼子板主體剛度計算結果見圖5和表3(其中，S11為x軸向的應力，S22為y軸向的應力，S12為yz平面上沿y向的剪力)。由表3可以看出：翼子板主體在載荷加載點受到最大應力為108.30 MPa，最小應力為-80.99 MPa，小于碳纖維復合材料壓縮強度，沒有發(fā)生材料失效。位移最大值為2.14 mm，小于普遍車企標準要求的7.5 mm，剛度為102.80 N/mm。

(b) S22應力云圖

(c) S12應力云圖

(d) 位移云圖

表3 翼子板主體剛度計算結果 MPa

2.3 主體抗凹性評估

在圖3中約束安裝硬點六個自由度，定義球形加載器載荷(150 N)和重力載荷，在外板幾何中心的最大無支撐區(qū)施加載荷。碳纖維復合材料翼子板主體抗凹性計算結果見圖6和表4。由表4可以看出:翼子板主體在載荷加載點受到最大應力為73.62 MPa，最小應力為-6.13 MPa，分別小于碳纖維復合材料拉伸和壓縮強度，沒有發(fā)生材料失效。位移最大值為1.46 mm，碳纖維復合材料為脆性材料，因此無塑性變形，滿足抗凹性要求。

表4 翼子板主體抗凹性計算結果 MPa

2.4 翼尖剛度評價

翼尖為翼子板中經常承受載荷的位置，計算翼尖剛度時，約束安裝硬點的六個自由度，并分別在上角點、下角點和前角點三點處依次施加載荷50 N和重力載荷，見圖7。

(a) S11應力云圖

(b) S22應力云圖

(c) S12應力云圖

(d) 位移云圖

圖7 翼尖剛度評估邊界條件

在測試中，當施加了50 N的力后，翼尖剛度計算結果見圖8和表5。由圖8可以看出，自施力點向周圍應力逐漸減小。由表5可以看出:受力時,上角點、下角點和前角點的剛度分別為1 644.74 N/mm、1 190.48 N/mm和1 231.53 N/mm，均遠大于傳統(tǒng)設計要求所規(guī)定的50 N/mm，表現(xiàn)出較大的剛度。

(a) 上角點位移云圖

(b) 下角點位移云圖

2.5 環(huán)境試驗

碳纖維覆蓋件的碳纖維、樹脂原材料及工藝方案相同，以翼子板為代表進行高溫試驗、耐候性試驗及干熱氣候光照試驗，試驗后翼子板未出現(xiàn)可見表面缺陷及其他失效現(xiàn)象。翼子板環(huán)境試驗箱及試驗后翼子板件見圖9、圖10。

圖9 碳纖維翼子板環(huán)境試驗箱

圖10 試驗后翼子板

2.6 臺車試驗

2.6.1 振動耐久試驗

將裝有等效配重載荷的碳纖維復合翼子板構件放至于振動臺上(見圖11)，對其進行x、y、z三方向共計100萬次振動耐久試驗(x方向加速度為±2.5g，頻率為5 Hz，40萬次試驗；y方向加速度為±1.5g，頻率為5 Hz，20萬次試驗；z方向加速度為(-1±2.5)g，頻率為5 Hz，40萬次試驗),評估其疲勞耐久性能。試驗結束后翼子板部分經檢查未見損傷，疲勞耐久性能滿足設計要求。

圖11 碳纖維集成框架震動耐久試驗現(xiàn)場

2.6.2 模擬砌塊路耐久試驗

將碳纖維復合翼子板裝配在實車上，并對車輛進行配重，使用裝有仿砌塊路路面的四輪轉鼓試驗臺模擬砌塊道路，轉鼓以40 km/h的相對速度轉動，模擬車輛在砌塊道路上的運行，經過1 600 km的模擬試驗驗證碳纖維零部件的實車耐久性能。試驗過程中及試驗結束后檢查碳纖維復合翼子板部件，未發(fā)現(xiàn)異常及可見失效，試驗結果顯示被測碳纖維翼子板部件滿足設計要求。

2.6.3 實車示范運行評價

將碳纖維翼子板部件搭載在E50整車上分別在大連、北京、佛山市等城市進行巡游展示。通過實車示范運行展示上汽開發(fā)的碳纖維典型零部件及關鍵技術，驗證碳纖維零部件可靠性。實車示范運行結束后檢查碳纖維汽車翼子板部件，未發(fā)現(xiàn)異常顯現(xiàn)，驗證了碳纖維翼子板部件的可靠性。

3 結語

筆者在保證造型面及邊界圓角、安裝配合面及安裝孔不變的前提下，采用碳纖維復合材料進行正向設計。設計方案在有限元仿真中進行驗證，分析結果表明：施加220 N后，翼子板主體變形最大值為2.14 mm，小于標準要求的7.5 mm，剛度為102.80 N/mm，滿足剛度要求；施加150 N后，翼子板主體變形最大值為1.46 mm，最大應力為73.62 MPa，最小應力為-6.13 MPa，分別小于碳纖維復合材料拉伸和壓縮強度，沒有發(fā)生材料失效，不發(fā)生永久變形，滿足抗凹性要求；翼尖剛度及硬點剛度都滿足性能要求。碳纖維復合材料翼子板整體減重達到38.46%，實現(xiàn)了輕量化目標。碳纖維復合翼子板部件在振動耐久性、模擬砌塊路耐久性、實車示范運行等臺車試驗階段未發(fā)現(xiàn)異常顯現(xiàn)，具有較高的運行可靠性。