金泉軍，呂玲芳，林增勇，陳瑜，龐迪，趙金鵬，馮趙秋霞，梁彥東
（浙江吉利遠程新能源商用車集團有限公司，浙江杭州311228）
摘要：基于材料物理機械性能特性，對比分析研究玻璃纖維/可降解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與傳統(tǒng)片狀模塑料（SMC）在汽車前面罩上的模態(tài)、剛度、強度性能效果。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，從產(chǎn)品性能來說，采用密度為1.558g/cm3玻璃纖維/可降解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的前面罩總成，較傳統(tǒng)SMC可實現(xiàn)減重21%以上。雖采用可降解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的前面罩剛度略低于傳統(tǒng)SMC，但產(chǎn)品模態(tài)頻率以及結(jié)構(gòu)強度均要優(yōu)于傳統(tǒng)SMC材料，并通過臺架性能測試，產(chǎn)品滿足設(shè)計要求。
關(guān)鍵詞：可降解環(huán)氧樹脂；前面罩；模態(tài)；剛度；強度；輕量化；SMC
傳統(tǒng)的片狀模塑料（SheetMoldingCompound,SMC）由于具有優(yōu)異的力學(xué)性能、機械化自動生產(chǎn)、制造成本等優(yōu)點[1-2]，已在商用車上大量開發(fā)應(yīng)用，目前商用車80%的外覆蓋件主要采用SMC材料。隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，對SMC材料需求也提出了更高的要求。首先是對輕量化需求，目前行業(yè)上應(yīng)用的SMC制品的密度一般為1.7~1.95g/cm3，因此，降低SMC材料密度是實現(xiàn)降低整車質(zhì)量并減少能源消耗的途徑之一[3-4]。其次是各國對環(huán)境保護意識的增強，為降低環(huán)境污染，開展可降解、可回收的熱固性樹脂基復(fù)合材料將是研究之一[5-8]。
本文采用一種既輕質(zhì)、又能滿足可降解的樹脂基的復(fù)合材料替代傳統(tǒng)SMC，在滿足產(chǎn)品的輕量化與環(huán)保性的基礎(chǔ)上，研究零件的模態(tài)、剛度和強度性能滿足效果，為可降解的樹脂基玻纖增強的復(fù)合材料產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用提供技術(shù)支持。
1 材料性能分析
本研究方案中的玻璃纖維/可降解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與傳統(tǒng)SMC復(fù)合材料，具體廠家及牌號信息如表1所示。
本試驗選用玻璃纖維/可降解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與傳統(tǒng)SMC進行性能對比分析。把材料制備成標準測試樣條，對比分析RH519與1800A的密度、拉伸強度、彎曲模量、彎曲強度、沖擊強度等結(jié)果，具體如表2所示。通過性能對比分析發(fā)現(xiàn)：可降解RH519材料密度為1.558g/cm3，較傳統(tǒng)SMC-1800A的1.89g/cm3密度降低了17.56%以上，對實現(xiàn)產(chǎn)品輕量化有較大的效果；可降解RH519材料的抗拉強度達到76.9MPa，較傳統(tǒng)SMC-1800A的81.4MPa抗拉強度略降低5.53%。但彎曲模量從傳統(tǒng)SMC-1800A的10100MPa提升至可降解RH519材料的10700MPa，提升比例為5.94%。而可降解RH519材料的彎曲強度與沖擊強度可分別達到156MPa、62.89kJ/m2，但比傳統(tǒng)SMC-1800A的184MPa彎曲強度與81kJ/m2沖擊強度值略低。單從兩種材料物理性能測試結(jié)果來看，可降解RH519材料的密度比傳統(tǒng)SMC-1800A材料低，同時彎曲模量要高于傳統(tǒng)SMC材料，但是抗拉強度、彎曲強度以及沖擊強度要低于傳統(tǒng)材料。
2 可降解輕質(zhì)環(huán)氧樹脂玻纖增強復(fù)合材料前面罩CAE分析
2.1有限元模型建立
玻璃纖維/可降解環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的前面罩總成是由內(nèi)板、外板、結(jié)構(gòu)膠、外板中10個M8×20預(yù)埋螺母、內(nèi)板中11個M8×20預(yù)埋螺母以及4個M6×20預(yù)埋螺母件組成。而外板的壁厚為3.5mm，內(nèi)板的壁厚為3.0mm，總成結(jié)構(gòu)示意圖以及裝配圖如圖1、圖2所示?；谇懊嬲挚偝山Y(jié)構(gòu)模型[9]，首先運用HyperMesh有限元軟件對產(chǎn)品總成進行網(wǎng)格劃分，其中網(wǎng)格尺寸以10mm×10mm殼單元為主，螺栓連接部位建模方式采用bolt連接方式，并且模型要求warpage<15、jacobian>0.65、trias<2%，實現(xiàn)模型總成網(wǎng)格單元共計53萬個；然后基于表2的的物性表附于分析需求可降解RH519材料參數(shù)；再根據(jù)產(chǎn)品性能需求分別設(shè)定模態(tài)、剛度以及強度的約束工況以及施加加載設(shè)定；最后基于NASTRAN、ABAQUS等分析軟件分別開展模態(tài)、剛度以及強度分析，為更好反饋產(chǎn)品是否滿足設(shè)計要求，以傳統(tǒng)SMC材料前面罩結(jié)構(gòu)作為對比分析，最終評價產(chǎn)品性能效果。
圖1前面罩總成示意圖
圖2前面罩總成裝配圖
2.2 前面罩總成約束模態(tài)分析
首先對前面罩模態(tài)進行結(jié)構(gòu)對比分析，模型的邊界條件：約束鉸鏈安裝點全部自由度1－6方向，約束鎖扣安裝點1－3方向平動自由度；輸出要求：提取0～100Hz頻率范圍內(nèi)各階模態(tài)振型及頻率。通過對比可降解RH519材料與傳統(tǒng)SMC-1800A材料對前面罩結(jié)構(gòu)的模態(tài)影響，分析是否會對整車模態(tài)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。提取前6階模態(tài)頻率，通過主要振型圖來看，只有1階、4階、6階反映整車彎曲與整車扭轉(zhuǎn)，結(jié)果如表3、圖3所示。通過模態(tài)對比分析可以看出：兩種材料前6階工況均大于35Hz，其中傳統(tǒng)SMC-1800A材料的前六階模態(tài)分別為：40.4、53.2、53.6、61.6、66.2、69.7Hz，其中1階振型為整體彎曲、2階為內(nèi)板上端局部扭轉(zhuǎn)、3階為內(nèi)板上端局部彎曲、4階為整體彎曲、5階為內(nèi)板上端局部彎曲、6階為整體扭轉(zhuǎn)?？山到釸H519材料的前六階模態(tài)分別為：41.1、53.6、54、62.1、66.7、70.3Hz，其中1階振型為整體彎曲、2階為內(nèi)板上端局部扭轉(zhuǎn)、3階為內(nèi)板上端局部彎曲、4階為整體彎曲、5階為內(nèi)板上端局部彎曲、6階為整體扭轉(zhuǎn)。從對整車共振的影響來看，1階、4階和6階模態(tài)貢獻顯著，其中1階模態(tài)尤為關(guān)鍵。基于模態(tài)對比情況可以看出：可降解RH519較傳統(tǒng)SMC-1800A材料1階頻率提升1.73%，4階頻率提升0.86%，整體看出兩種材料模態(tài)基本相當，并均滿足設(shè)計要求≥35Hz。
表3兩種材料前六階模態(tài)對比分析
圖3兩種材料模態(tài)分析
2.3 前面罩總成剛度分析
其次對前面罩剛度進行結(jié)構(gòu)對比分析，模型的邊界條件：約束鉸鏈安裝點全部自由度1－6方向，約束鎖扣安裝點1－3方向平動自由度；施加載荷：通過直徑80mm剛性圓盤在前面罩外面中間區(qū)域施加載荷980N，加載方向為剛性圓盤所在平面的法向，剛性圓盤與前面罩外板之間做接觸設(shè)置，剛度模型示意圖如圖4所示。針對可降解RH519材料與傳統(tǒng)SMC-1800A材料進行剛度性能對比分析，結(jié)果如表4、圖4所示?；趧偠鹊淖畲髴?yīng)力與最大變形值得對比分析可以看出：SMC-1800A材料的最大應(yīng)力為52.6MPa，最大位移為3.56mm；可降解RH519材料最大應(yīng)力為56.1MPa，最大位移為4.66mm。通過兩種材料對比分析發(fā)現(xiàn)：可降解RH519剛度位移較SMC-1800A材料提升約30.9%；最大應(yīng)力增加約6.65%。通過數(shù)據(jù)可以明顯反映可降解RH519材料剛度性能比傳統(tǒng)SMC-1800A要略低，但結(jié)構(gòu)是滿足設(shè)計要求的最大位移≤6mm，最大應(yīng)力≤61MPa。
表4兩種材料剛度性能分析
圖4兩種材料剛度分析
2.4 前面罩總成強度分析
接下來對前面罩強度進行結(jié)構(gòu)對比分析，模型的邊界條件：約束鉸鏈安裝點全部自由度1－6方向，約束鎖扣安裝點1－3方向平動自由度；施加載荷：按下列3種細分工況分別對前面罩模型施加重力場；1）垂直彎曲：Z向-2.5g；2）橫向彎曲：Z向1.5g，Y向0.4g；3）緊急制動：Z向1.5g，X向-0.7g。針對兩種材料進行強度性能分析，結(jié)果如表5、圖5所示。通過強度對比分析可以看出：垂直彎曲工況下，可降解RH519材料最大應(yīng)力為1.2MPa，SMC-1800A材料的最大應(yīng)力為1.5MPa；橫向彎曲工況下，可降解RH519材料最大應(yīng)力為1.0MPa，SMC-1800A材料的最大應(yīng)力為1.3MPa；緊急制動工況下，可降解RH519材料最大應(yīng)力為1.2MPa，SMC-1800A材料的最大應(yīng)力為1.5MPa；其中垂直彎曲工況下，可降解RH519材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力較SMC-1800A材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低25%；橫向彎曲工況下，可降解RH519材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力較SMC-1800A材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低23%；緊急制動工況下，可降解RH519材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力較SMC-1800A材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力降低25%；基于前面罩總成的3種工況分析結(jié)果看：兩種材料制備的前面罩總成所承受的最大應(yīng)力均遠低于61MPa，同時可降解RH519材料結(jié)構(gòu)強度性能要優(yōu)于SMC-1800A材料。
表5前面罩不同工況下的強度分析
圖5可降解RH519不同工況的最大應(yīng)力
3 結(jié)論
基于可降解RH519材料進行前面罩總成的結(jié)構(gòu)設(shè)計，并結(jié)合傳統(tǒng)SMC-1800A材料進行對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能的對比分析研究，獲取可降解RH519材料是否能夠滿足產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)要求。
1）通過分析發(fā)現(xiàn)1階模態(tài)與6階模態(tài)值分別為41.1、70.3Hz，均滿足設(shè)計要求的≥35Hz以上。
2）剛度分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)：可降解RH519材料剛度性能比傳統(tǒng)SMC-1800A要略低，但結(jié)構(gòu)是滿足設(shè)計要求的最大位移≤6mm，最大應(yīng)力≤61MPa。
3）結(jié)構(gòu)強度分析發(fā)現(xiàn)：垂直彎曲工況、橫向彎曲工況、緊急制動工況下，可降解RH519材料最大應(yīng)力較SMC-1800A材料結(jié)構(gòu)應(yīng)力均降低20%以上。
通過模態(tài)、剛度、強度三種工況分析可以得出：前面罩采用可降解RH519材料設(shè)計該結(jié)構(gòu)，完全能夠滿足結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計要求，同時結(jié)合
7500km的臺架性能驗證，滿足產(chǎn)品性能要求。
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