李海豐，楊紅旗，楊明，熊建國

(1.湖北汽車工業(yè)學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖北十堰 442002；2.東風(fēng)(十堰)林泓汽車配套件有限公司，湖北十堰 442002)

0 引言

隨著我國汽車工業(yè)的高速發(fā)展，車輛的節(jié)能、環(huán)保、安全等問題日益突出，低油耗、低排放、高燃油經(jīng)濟(jì)性已成為汽車工業(yè)發(fā)展的主要目標(biāo)，與之相對(duì)應(yīng)的是汽車的輕量化、智能化、新能源等成為近幾年熱門的研究方向。其中，輕量化目前是制約我國汽車產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步的瓶頸之一[1]，與國外同類車相比，國產(chǎn)商用車平均重10%～15%[2]。本文作者以某型號(hào)商用車擋泥板支架底座為研究對(duì)象，利用SW軟件三維建模、有限元分析軟件INVENTOR和MADAS進(jìn)行CAE分析以及3D打印技術(shù)快速成型，對(duì)底座從材質(zhì)選用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、工藝制造三方面進(jìn)行研究，最終完成底座的輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造及靜態(tài)力學(xué)驗(yàn)證，為實(shí)際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

1 研究對(duì)象

以某型號(hào)商用車擋泥板支架底座為輕量化研究對(duì)象,如圖1(a)圈中所示，圖1(b)為底座三維結(jié)構(gòu)圖。底座中部焊裝有圓鋼管，底座通過下端的4個(gè)螺栓將整個(gè)零件總成固定在車架上。底座材質(zhì)為鑄鋼，總體尺寸長×寬×高為125 mm×95 mm×130 mm。

圖1 擋泥板支架底座

2 研究過程及結(jié)果

2.1 材料選用分析

2.1.1 材料選用

以輕代重、以塑代鋼是從材料角度實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化的有效途徑，工程塑料和纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在降低整車質(zhì)量、噪聲、制造成本以及提高生產(chǎn)效率方面具有顯著優(yōu)勢，也符合汽車產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的理念，最重要的特點(diǎn)是“輕質(zhì)高強(qiáng)”，因此可用這兩類材料對(duì)底座進(jìn)行輕量化改進(jìn)。目前很多文獻(xiàn)報(bào)道了聚酰胺(PA，尼龍)、聚合物基玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料(玻璃鋼)在汽車輕量化上具有良好效果[3-4]；結(jié)合研究對(duì)象底座需要較高的機(jī)械強(qiáng)度和剛度以及材質(zhì)特性，同時(shí)考慮到工藝性和經(jīng)濟(jì)性，因此選取常用工程塑料尼龍PA66和復(fù)合材料玻纖增強(qiáng)尼龍PA66+GF30兩種材料進(jìn)行對(duì)比分析，其性能特點(diǎn)與鑄鋼的比較見表1。

表1 3種材料性能特點(diǎn)對(duì)比

2.1.2 基本結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

考慮底座的裝配要求，即大小尺寸與裝配空間的匹配、與周邊零件安裝是否干涉以及與圓鋼管的裝配等，確定輕量化底座的基本結(jié)構(gòu)由三部分構(gòu)成，即長方形底板、圓筒體(中空以安裝圓鋼管)、圓筒體根部四周的加強(qiáng)筋。底板邊角以及圓筒體根部部位采用圓弧過渡，底板仍然通過4個(gè)螺栓與車架固定，如圖2所示，總體尺寸長×寬×高為125 mm×95 mm×115 mm。

圖2 設(shè)計(jì)的底座基本結(jié)構(gòu)

2.1.3 材料選用結(jié)果分析

在基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，考慮底座的功能要求(防止圓管的軸向移動(dòng)和徑向轉(zhuǎn)動(dòng))，初步設(shè)計(jì)出3種結(jié)構(gòu)方案，通過CAE的強(qiáng)度(結(jié)構(gòu)安全系數(shù))分析，優(yōu)選出合適的材料。

方案1：整體式結(jié)構(gòu)，圓管底部鐓成喇叭口形狀，與底座整體成型。

方案2：整體式結(jié)構(gòu)，圓管末端外周加工出鍵槽，底部焊上薄鋼塊，然后與底座整體成型。鍵槽可防止圓管轉(zhuǎn)動(dòng)，薄鋼塊防止軸向移動(dòng)。

方案3：分體式結(jié)構(gòu)，底座一分為二對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過兩側(cè)筋板上的4個(gè)螺栓固定在一起；圓管結(jié)構(gòu)同方案2，與底座裝配成整體。

3種結(jié)構(gòu)方案的特征示意圖及結(jié)構(gòu)安全度分析結(jié)果見表2。由表2可知，若采用玻纖增強(qiáng)尼龍PA66+GF30，3種方案的結(jié)構(gòu)安全度都能滿足要求，而采用PA66無一滿足要求，因此選定PA66+GF30作為底座輕量化的設(shè)計(jì)用材。

表2 3種結(jié)構(gòu)方案

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.2.1 疲勞壽命分析

材料選定后，對(duì)初步設(shè)計(jì)的3種方案再進(jìn)行疲勞壽命(技術(shù)要求最低200萬次)分析，結(jié)果如圖3所示?？芍桨?結(jié)構(gòu)在圓管的弧形面上會(huì)出現(xiàn)損傷，最低壽命95萬次。這是因?yàn)閳A管壁厚6 mm，擴(kuò)成喇叭口后，弧形面部位厚度變薄，而管較長，其上安裝較多附件，造成喇叭口的弧形面上應(yīng)力集中，在車輛行駛過程中受沖擊載荷后容易出現(xiàn)損傷。方案2分析結(jié)果顯示，底座內(nèi)壁上的鍵壽命為0，這表明該結(jié)構(gòu)存在先天缺陷，使用過程中必定會(huì)出現(xiàn)損傷。方案3具有和方案2相同的鍵結(jié)構(gòu)，分析結(jié)果相同。由此可知，初步設(shè)計(jì)的3種結(jié)構(gòu)都不能滿足疲勞壽命技術(shù)要求，均需進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化。

圖3 疲勞壽命分析

2.2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

方案1結(jié)構(gòu)如需進(jìn)一步改進(jìn)，可適當(dāng)增加圓管的壁厚，相應(yīng)增大喇叭口弧形面的弧度，但這樣一來就增大了整個(gè)零件的質(zhì)量。而且弧形面一旦損傷后，由于圓管和底座整體成型，就難以更換配件維修，造成整個(gè)零件報(bào)廢，導(dǎo)致維護(hù)、使用成本較高。因此綜合考慮后該結(jié)構(gòu)不采用。

方案2取消內(nèi)壁上的鍵結(jié)構(gòu)，在圓管底部焊上一塊圓形鋼塊，然后與底座整體成型。由于鋼塊直徑稍大于圓管，成型后金屬件會(huì)被塑料緊緊壓在內(nèi)部，防止圓管轉(zhuǎn)動(dòng)和軸向移動(dòng)。

方案3也取消鍵槽結(jié)構(gòu)，在圓管底部焊上一塊正方形鋼塊，然后與底座裝配。由于邊長略大于圓管直徑，即可防止軸向移動(dòng)，方形鋼板的4個(gè)角又可防止圓管徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。

方案2和方案3的改進(jìn)結(jié)構(gòu)見表3。

表3 方案2和方案3結(jié)構(gòu)改進(jìn)

方案2和方案3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的CAE分析結(jié)果見表4。由表4可知，采用方案3的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，最大位移(即變形)較小，即結(jié)構(gòu)剛度好；最小安全系數(shù)1.5，即結(jié)構(gòu)強(qiáng)度好；安全度達(dá)到了復(fù)合材料最低1.5的要求[5]，疲勞壽命也滿足技術(shù)要求。采用方案2的改進(jìn)結(jié)構(gòu)無法滿足要求，因此底座的輕量化設(shè)計(jì)選用分體式對(duì)稱結(jié)構(gòu)。但需要注意的是該改進(jìn)結(jié)構(gòu)仍然存在薄弱部位：圓筒體根部部位以及底端焊接鋼塊的安裝孔邊緣會(huì)出現(xiàn)損傷情況，在后續(xù)的工藝分析以及3D打印樣品后仍需進(jìn)行局部細(xì)節(jié)優(yōu)化。方案3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的薄弱部位如圖4所示。

表4 方案2和方案3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的CAE分析結(jié)果

圖4 方案3結(jié)構(gòu)改進(jìn)后的薄弱部位

2.3 快速成型

通過3D打印快速成型技術(shù)可迅速獲得所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，無需模具和機(jī)械加工，極大地縮短了研發(fā)周期以及生產(chǎn)成本。文中利用該技術(shù)獲得結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的底座，可以更直觀地論證結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，打印出的實(shí)物如圖5所示。為避免成型時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中以及裝配操作時(shí)的便捷，對(duì)結(jié)構(gòu)的局部細(xì)節(jié)進(jìn)行以下優(yōu)化：圓筒體根部采用較大圓弧過渡、底板厚度減薄使整體壁厚均勻、底部方形孔4個(gè)角改為圓弧角，并調(diào)整孔邊距和設(shè)計(jì)墊片孔等。優(yōu)化后對(duì)結(jié)構(gòu)再次進(jìn)行CAE力學(xué)分析驗(yàn)證并與原鑄鋼材質(zhì)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見表5，可知優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)雖然在位移(變形或剛度)、安全度(強(qiáng)度)及疲勞壽命低于鑄鋼結(jié)構(gòu)，但性能仍然滿足技術(shù)要求，最重要的是實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的，減重80%。至此，可確定該結(jié)構(gòu)即為底座最終可采用的結(jié)構(gòu)并再次打印出實(shí)物如圖6所示。

圖5 3D打印的底座

表5 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化后與鑄鋼材質(zhì)結(jié)構(gòu)的CAE分析結(jié)果對(duì)比

圖6 結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)優(yōu)化后打印的底座

2.4 工藝分析及制造

聚合物基復(fù)合材料常用的成型工藝有手糊成型、拉擠成型、纏繞成型、模壓成型和噴射成型[6]。其中手糊成型工藝以其設(shè)備簡單,不受制品種類和形狀限制,適用于小批量生產(chǎn)的特點(diǎn)應(yīng)用較廣[7]。文中的底座屬于單品種、小批量的產(chǎn)品，材質(zhì)確定了選用玻纖增強(qiáng)尼龍PA66+GF30，因此采用手糊成型工藝制造。制造采用的結(jié)構(gòu)、模具以及實(shí)物效果如圖7所示。

圖7 底座采用PA66+GF30手糊成型的結(jié)構(gòu)、模具及實(shí)物

2.5 靜態(tài)測試

對(duì)制造出的實(shí)物樣品進(jìn)行靜載荷測試，采取簡支梁方法測試[8]，底座按照工作狀態(tài)裝夾后，在圓管前端施加載荷，載荷大小模擬底座的極限工況。測試示意圖如圖8所示，測試結(jié)果如圖9所示。結(jié)果表明，當(dāng)圓管底部所焊金屬底板厚度為3 mm時(shí),鋼管前端在1 323 N靜態(tài)力情況下，底座筋板開始產(chǎn)生裂隙；當(dāng)金屬底板厚度為5 mm時(shí),鋼管前端在1 891 N靜態(tài)力情況下，底座筋板開始產(chǎn)生裂隙；當(dāng)金屬底板厚度為6 mm時(shí),鋼管前端在2 421 N靜態(tài)力情況下，底座筋板開始產(chǎn)生裂隙。結(jié)合技術(shù)要求，最終選擇在圓管底部焊接金屬底板厚度為5 mm，同時(shí)為確保安全裕度，將底座筋板由原來的5 mm厚度增加到10 mm。

圖8 底座測試示意

圖9 底座靜態(tài)測試結(jié)果

3 結(jié)論

通過上述工作，針對(duì)某型號(hào)商用車擋泥板支架底座的輕量化研究，得到以下成果：

(1)材質(zhì)上選用玻纖增強(qiáng)尼龍PA66+GF30效果較好；結(jié)構(gòu)采用分體式對(duì)稱結(jié)構(gòu)；使用手糊成型工藝制造獲得的輕量化底座相比原鑄鋼材質(zhì)的底座實(shí)現(xiàn)減重80%的效果。

(2)通過靜態(tài)力學(xué)驗(yàn)證，在圓管底部焊接金屬底板厚度為5 mm，并將底座筋板由原來的5 mm厚度增加到10 mm。后續(xù)還需對(duì)優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)測試，并對(duì)制造出的實(shí)物進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，最終綜合考量確定底座輕量化方案的可行性。