轻质结构发动机罩设计研究.pdf

1、收 稿 日 期 : 2004 - 12 - 10作 者 简 介 : 王 宏 雁 (1962 - ) ,女 ,黑 龙 江 哈 尔 滨 人 ,副 教 授 ,工 学 博 士 . E2mail :why - sos vip. sina. com轻 质 结 构 发 动 机 罩 设 计 研 究王 宏 雁 1 ,高 卫 民 2 ,潘 玲 玲 1 ,刘 春 节 1(1. 同 济 大 学 新 能 源 汽 车 工 程 中 心 ,上 海 200092 ; 2. 泛 亚 汽 车 技 术 有 限 公 司 ,上 海 201201)摘 要 : 以 汽 车 发 动 机 罩 为 例 ,结 合 材 料 特 性 、 生 产 工 艺

2、 、 连 接 工 艺 等 方 面 因 素 ,设 计 四 种 不 同 材 料 发 动 机 罩 结 构 方案 . 采 用 拓 扑 方 法 优 化 、 改 进 结 构 ,并 通 过 有 限 元 结 构 模 拟 计 算 ,比 较 分 析 并 评 价 各 方 案 . 选 择 其 中 综 合 性 能 优 势 最为 显 著 的 复 合 材 料 结 构 方 案 进 行 试 制 并 试 验 . 通 过 对 比 模 拟 计 算 结 果 和 试 验 结 果 ,验 证 了 复 合 材 料 结 构 方 案 的 性能 优 越 性 . 在 轻 量 化 方 法 、 设 计 试 验 规 范 、 选 材 与 结 构 等 方 面

3、,为 汽 车 车 身 的 轻 量 化 研 究 探 索 了 一 条 技 术 路 线 .关 键 词 : 发 动 机 罩 ; 轻 量 化 ; 有 限 元 结 构 分 析中 图 分 类 号 : U 461. 91 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 0253 - 374X(2006) 08 - 1098 - 06Lightweight Structure of Engine HoodW A N G Hongyan1 , GA O Wei m i n2 , PA N L i ngli ng1 , L IU Chunjie1(1. Clean Energy Automotive Enginee

4、ring Center , Tongji University , Shanghai 200092 , China ;2. Pan Asia Technical Automotive Center Co. Ltd. ,Shanghai 201201 ,China)Abstract : Four motor hood structures of different materials are designed by taking lightweight materialcharacteristics , technique of production and connection into co

5、nsideration. After topology optimizationthese structures are analyzed and estimated by the finite element analysis ( FEA) simulation results.The carbon fiber reinforced plastic (CFRP) structure , whose performance is the best among the fourstructures , is chosen for trial - producing and testing. Th

6、e superior performance of CFRP structure isvalidated by a comparison study of test results and simulation results. In this paper the technical routeof lightweight for car body components is discussed in the aspects of the lightweight method , designand test specification , material selection and str

7、ucture design.Key words : motor hood ; lightweight ; finite element analysis当 对 汽 车 ,尤 其 是 车 身 ,进 行 轻 量 化 研 究 时 ,常常 最 先 取 四 门 两 盖 作 为 研 究 对 象 . 其 中 ,轻 质 车 门 的结 构 复 杂 一 些 ,所 牵 涉 的 因 素 也 较 多 ;而 两 盖 (发 动机 罩 和 行 李 箱 盖 )结 构 和 功 能 特 点 相 似 ,较 车 门 简 单一 些 ,选 材 原 则 和 加 工 工 艺 也 基 本 相 同 . 故 本 文 仅 以尺 寸 较 大 发 动 机

8、 罩 作 为 分 析 对 象 ,采 用 轻 量 化 材 料设 计 结 构 方 案 ,并 应 用 有 限 元 方 法 ,对 所 设 计 的 结 构方 案 分 析 刚 度 并 评 价 轻 量 化 效 果 ,以 试 验 手 段 验 证复 合 材 料 发 动 机 罩 的 特 性 是 否 满 足 承 载 要 求 .随 着 轻 量 化 作 为 汽 车 发 展 的 主 要 方 向 之 一 ,新型 轻 量 化 材 料 (高 强 钢 、 镁 合 金 、 铝 合 金 、 复 合 材 料等 )的 使 用 不 断 增 多 ,特 别 是 高 强 钢 、 铝 合 金 以 及 复合 材 料 的 使 用 比 例 ,不 断 增

9、 加 .世 界 多 家 汽 车 大 公 司 均 已 掌 握 了 应 用 超 轻 高 强第 34 卷 第 8 期2006 年 8 月同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )JOURNAL OF TON GJ I UN IVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol. 34 No. 8Aug. 2006度 钢 板 制 造 汽 车 部 件 的 相 关 工 艺 技 术 ,诸 如 特 殊 的冲 压 工 艺 、 激 光 焊 接 技 术 ,尤 其 是 用 于 制 造 行 驶 系 部件 的 内 高 压 成 形 技 术 等 ,使 超 轻 高 强 度 钢 板 的 应 用范 围 向 制 造 汽 车

10、 外 覆 盖 件 (如 车 门 、 发 动 机 罩 、 行 李厢 盖 板 等 )延 伸 . 据 称 ,这 一 类 零 部 件 若 采 用 这 种 钢材 制 造 ,自 身 质 量 可 减 轻 25 % 30 %. 由 于 汽 车 外覆 件 冲 压 时 有 较 大 的 变 形 和 冲 深 ,采 用 的 高 强 度 钢板 抗 拉 强 度 相 对 较 低 . 例 如 ,铃 木 2003 年 发 布 的 新型 Wagon R 车 身 中 ,主 要 使 用 抗 拉 强 度 为 440 MPa的 高 强 度 钢 板 ,而 A 柱 、 中 柱 和 门 柱 则 分 别 采 用 抗拉 强 度 为 590 MPa

11、,980 MPa 和 1 470 MPa 的 高 强度 钢 板 ,发 动 机 罩 则 使 用 了 抗 拉 强 度 为 340 MPa 的高 强 度 钢 板 1 .铝 合 金 在 发 动 机 罩 上 的 应 用 也 正 逐 步 增 多 ,应用 最 成 功 的 是 奥 迪 汽 车 公 司 . 奥 迪 的 轻 铝 车 身 技 术是 奥 迪 公 司 的 一 项 核 心 技 术 ,公 司 已 在 这 一 领 域 进行 了 长 达 20 年 的 研 究 和 开 发 ,其 精 湛 的 应 用 技 术 远远 领 先 于 其 他 汽 车 厂 家 . 奥 迪 A8 和 A2 在 全 球 各 著名 协 会 和 专

12、业 媒 体 的 评 比 中 屡 获 殊 荣 ,至 今 已 赢 得40 多 项 大 奖 . 日 本 美 洲 豹 (Jaguar) 也 在 从 事 全 铝 车身 的 开 发 和 应 用 ,2003 年 6 月 开 始 销 售 全 铝 车 身 的顶 级 轿 车 XJ . 除 此 之 外 ,丰 田 新 皇 冠 、 梅 赛 德 斯 - 奔驰 新 E 级 车 、 标 致 307 4P 的 发 动 机 罩 ,均 采 用 了 铝合 金 材 料 2 .复 合 材 料 被 誉 为 “ 21 世 纪 新 材 料 ” . 目 前 复 合 材料 产 品 在 国 际 上 ,尤 其 在 美 国 正 在 迅 速 发 展 .

13、该 技 术的 特 点 是 投 资 少 ,起 步 快 ,品 种 广 泛 ,设 计 自 由 度 大 ,模 具 更 新 换 代 方 便 ,而 且 产 量 适 应 性 强 ,几 件 、 几 十件 到 上 万 件 都 可 以 生 产 ,是 十 分 理 想 的 工 程 用 材 料 ,也 是 其 他 生 产 技 术 所 无 法 替 代 的 . 通 用 汽 车 公 司 从1987 年 以 后 投 资 了 46 亿 美 元 ,建 了 五 条 生 产 复 合材 料 车 身 的 生 产 线 ,年 产 175 万 辆 塑 胶 车 身 ,包 括Saturn ,Oidsmobil (7 座 ) ,Lumina 等 . 其

14、 复 合 材 料 面包 车 、 小 轿 车 、 家 用 跑 车 等 不 仅 品 类 齐 全 ,而 且 拥 有很 高 的 市 场 占 有 率 . 1990 年 以 后 ,世 界 第 二 大 汽 车公 司 福 特 和 美 国 第 三 大 汽 车 公 司 克 莱 斯 勒 ,也 都 相继 开 发 复 合 材 料 汽 车 . 1991 年 ,美 国 市 场 销 售 126万 辆 复 合 材 料 车 身 汽 车 ;同 年 ,西 欧 市 场 销 售 24 万辆 . 目 前 ,这 类 汽 车 正 以 每 年 25 %的 速 率 增 加 产 量 .2000 年 ,在 美 国 市 场 销 售 的 1 600 万

15、辆 汽 车 中 ,复 合材 料 汽 车 占 20 %以 上 . 可 见 ,在 车 用 材 料 中 ,复 合 材料 正 占 有 越 来 越 重 要 的 地 位 3 .综 合 目 前 国 外 各 大 汽 车 公 司 轻 质 结 构 发 动 机 罩的 应 用 状 况 ,现 确 定 选 择 比 较 成 熟 的 高 强 钢 、 铝 合 金板 材 和 复 合 材 料 ,作 为 轻 量 化 发 动 机 罩 的 结 构 材 料 .1 结 构 方 案发 动 机 罩 的 结 构 较 车 门 简 单 ,主 要 由 内 、 外 板 和局 部 加 强 板 组 成 . 内 板 与 外 板 通 过 翻 边 、 粘 接 、

16、滚 焊等 方 式 结 合 ,局 部 加 强 板 焊 接 或 粘 接 在 铰 链 和 门 锁安 装 处 ,以 增 加 装 配 刚 度 . 外 板 的 形 状 要 与 整 车 一致 ,并 有 抗 凹 痕 性 和 防 腐 性 方 面 的 要 求 ;内 板 则 要 求较 高 的 刚 性 ,并 冲 有 各 种 形 状 的 窝 穴 、 加 强 筋 和 孔洞 ,以 便 安 装 一 些 附 件 .1. 1 四 种 结 构 方 案研 究 所 选 用 的 结 构 原 型 为 国 产 某 车 型 的 发 动 机罩 ,分 析 数 模 仅 包 括 内 板 和 外 板 ,如 图 1 所 示 . 二 者通 过 翻 边 滚

17、压 和 粘 合 的 方 式 连 接 为 一 体 .图 1 发 动 机 罩 三 维 数 模Fig. 1 CAD2Date of motor hood为 了 与 原 发 动 机 罩 对 比 并 考 虑 实 际 应 用 性 ,除应 用 复 合 材 料 的 方 案 外 ,其 他 三 种 方 案 最 初 都 是 仅改 变 内 外 板 材 料 ,而 不 改 变 结 构 形 式 . 复 合 铺 层 材 料是 由 连 续 相 的 基 体 与 分 散 相 的 强 化 纤 维 组 成 的 多 相材 料 . 最 常 见 的 复 合 铺 层 材 料 是 通 过 基 体 与 一 些 纤维 材 料 胶 结 而 成 的 4

18、 . I2deas 软 件 Laminates 模 块 可以 用 于 设 定 复 合 铺 层 材 料 中 基 体 、 分 散 相 的 材 料 及特 性 . 复 合 材 料 具 有 比 强 度 、 比 模 量 高 ,化 学 稳 定 性优 良 ,减 摩 、 耐 磨 、 自 润 滑 性 好 ,耐 热 性 高 等 优 点 . 一般 常 用 的 纤 维 复 合 材 料 的 使 用 温 度 为 100 200 ,还 可 降 低 噪 音 ,可 靠 性 好 .复 合 材 料 方 案 因 为 考 虑 模 具 成 本 和 生 产 工 艺 的9901 第 8 期 王 宏 雁 ,等 :轻 质 结 构 发 动 机 罩

19、设 计 研 究 要 求 ,在 设 计 时 确 定 采 用 碳 纤 维 增 强 型 复 合 材 料Sandwich 结 构 (CFRP) ,取 消 发 动 机 罩 内 板 ,以 PUR泡 沫 增 加 碳 纤 维 铺 层 材 料 的 刚 性 和 强 度 . PUR 泡 沫厚 度 为 10 mm ,上 下 碳 纤 维 铺 层 分 为 1 mm ,总 厚 度为 12 mm5 .确 定 的 四 种 结 构 方 案 如 表 1 所 示 .表 1 发 动 机 罩 结 构 方 案Tab. 1 Structure scheme of motor hood结 构 方 案 原 型 方 案 方 案 方 案 方 案 外

20、 板 0. 8 mm 低 碳 钢 板 0. 75 mm 高 强 钢 板 1. 50 mm 铝 合 金 板 1. 5 mm 铝 合 金 板内 板 0. 8 mm 低 碳 钢 板 0. 60 mm 高 强 钢 板 0. 75 mm 高 强 钢 板 1. 5 mm 铝 合 金 板上 下 CFRP 层 1 mm ,中间 PUR 泡 沫 层 10 mm连 接 方 式 翻 边 、 滚 压 、 粘 结 翻 边 、 滚 压 、 粘 结 翻 边 、 滚 压 、 粘 结 翻 边 、 滚 压 、 粘 结 粘 结1. 2 材 料 力 学 参 数对 于 刚 度 、 强 度 等 静 力 分 析 和 模 态 分 析 ,需

21、要 材料 的 三 个 基 本 参 数 :杨 氏 模 量 、 泊 松 比 、 密 度 . 所 选 定的 高 强 钢 、 铝 合 金 的 三 个 基 本 的 材 料 参 数 如 下 :钢 E = 210 GPa , = 0. 3 , = 7. 8 g cm - 3铝 E = 71 GPa , = 0. 33 , = 2. 7 g cm - 3CFRP E1 = 70 GPa , E2 = 70 GPa , 12 = 0. 04 ,G12 = 45 GPa , = 1. 6 g cm - 3PUR 泡 沫 E1 = 0. 1 GPa , E2 = 0. 1 GPa , 12 =0. 3 , G12

22、= 38 MPa , = 0. 5 g cm - 3复 合 材 料 结 构 见 图 2 ,碳 纤 维 单 层 厚 度 为 0. 125mm ,层 数 为 8 ,铺 层 方 式 为 0 / 90 / 0 / 90 . 整 个Sandwich 结 构 铺 层 方 式 在 I2deas 软 件 Laminat 模 块中 设 置 完 成 6 .图 2 复 合 材 料 铺 层 示 意 图Fig. 2 Layout of CFRP in I2deas1. 3 高 强 钢 结 构 方 案 的 改 进对 于 高 强 度 钢 来 说 ,主 要 是 提 高 了 材 料 的 拉 伸强 度 和 硬 度 ,并 不 会

23、使 结 构 的 刚 度 提 高 ,至 少 在 采 用有 限 元 法 进 行 静 力 分 析 时 ,体 现 不 出 其 刚 性 的 增 强 .因 此 ,采 用 更 薄 的 高 强 度 钢 板 ,而 不 改 变 其 结 构 形式 ,很 难 获 得 较 好 的 刚 度 性 能 . 为 了 使 高 强 钢 结 构 方案 保 持 或 接 近 原 结 构 ,必 须 进 行 结 构 的 改 进 .为 了 避 免 结 构 改 进 的 盲 目 性 ,采 用 Optistruct6. 0 进 行 拓 扑 优 化 . 优 化 对 象 为 发 动 机 罩 的 内 板 ,优化 目 标 为 体 积 最 小 ,优 化 约

24、束 为 所 分 析 的 三 种 工 况(刚 度 分 析 ) 下 的 位 移 . 初 始 情 况 下 的 内 板 见 图 3a ,它 是 一 个 简 单 形 状 的 曲 面 ,中 间 区 域 为 优 化 范 围 . 内板 与 外 板 之 间 连 接 的 区 域 不 作 为 优 化 对 象 .优 化 结 果 (用 单 元 密 度 表 示 ) 如 图 3b ,密 度 较 大的 区 域 表 明 需 要 加 强 . 为 了 清 晰 起 见 ,图 中 隐 去 了 单元 密 度 值 较 小 的 区 域 .图 3 高 强 钢 内 板 的 拓 扑 优 化Fig. 3 Optistruct optimizatio

25、n of inner plate考 虑 装 配 和 冲 压 工 艺 因 素 ,最 终 确 定 的 高 强 钢内 板 结 构 如 图 4 所 示 .图 4 结 构 优 化 后 的 高 强 钢 内 板Fig. 4 High strength steel plate after optimization2 计 算 工 况参 照 UL SAC ( ultralight steel auto closure ,超 轻0011 同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 34 卷 钢 汽 车 覆 盖 件 ) 4 及 其 他 汽 车 覆 盖 件 分 析 采 用 的 载荷 和 工 况 ,确 定 分

26、析 以 下 四 种 工 况 ,主 要 考 查 发 动 机罩 的 刚 性 和 模 态 . 为 了 比 较 结 构 方 案 的 轻 量 化 效 果 ,原 结 构 和 三 种 新 结 构 的 载 荷 和 工 况 相 同 .工 况 一 :考 查 弯 曲 刚 度 ,发 动 机 铰 链 约 束 6 自 由度 ,在 另 一 端 的 中 间 加 垂 直 载 荷 20 N. 如 图 5 所 示 .图 5 工 况 一 ,弯 曲Fig. 5 Loadcase 1 ,bend工 况 二 :考 查 侧 向 弯 曲 刚 度 ,铰 链 以 及 另 一 端 角分 别 约 束 6 自 由 度 ,在 另 一 端 角 施 加 垂

27、直 载 荷 20N. 如 图 6 所 示 .图 6 工 况 二 ,侧 向 弯 曲Fig. 6 Loadcase 2 ,lateral2bend工 况 三 :考 查 扭 转 刚 度 ,铰 链 和 另 一 端 中 间 分 别约 束 6 自 由 度 ,在 中 间 部 位 加 10 N 的 力 偶 . 如 图 7所 示 .图 7 工 况 三 ,扭 转Fig. 7 Loadcase 3 ,torsion工 况 四 :模 态 分 析 ,获 得 第 一 阶 模 态 频 率 . 如 图8 所 示 .图 8 工 况 四 ,模 态Fig. 8 Loadcase 4 ,modality3 计 算 结 果分 析 的

28、目 的 主 要 是 考 察 结 构 方 案 的 刚 度 和 模 态频 率 ,应 力 云 图 这 里 不 予 给 出 ,只 将 结 果 列 于 表 中 标明 ;又 由 于 几 种 结 构 方 案 的 变 形 形 式 在 同 一 工 况 下一 致 ,只 存 在 数 值 的 差 异 ,因 此 这 里 只 给 出 原 钢 质 结构 发 动 机 罩 在 几 种 工 况 下 的 位 移 或 特 征 向 量 云 图 .工 况 一 ,弯 曲 刚 度 位 移 云 图 见 图 9 ;工 况 二 ,侧向 弯 曲 刚 度 位 移 云 图 见 图 10 ;工 况 三 ,扭 转 刚 度 位移 云 图 见 图 11 ;工

29、况 四 ,模 态 频 率 及 特 征 向 量 云 图见 图 12. 原 结 构 发 动 机 罩 及 四 种 改 进 结 构 方 案 的 刚度 及 模 态 分 析 的 数 值 结 果 见 表 2.图 9 弯 曲 刚 度Fig. 9 Bend rigidity图 10 侧 向 弯 曲 刚 度Fig. 10 Lateral2bend rigidity图 11 扭 转 刚 度Fig. 11 Torsion rigidity图 12 一 阶 模 态Fig. 12 First step of modality1011 第 8 期 王 宏 雁 ,等 :轻 质 结 构 发 动 机 罩 设 计 研 究 表 2

30、有 限 元 分 析 结 果Tab. 2 Analysis results with FEM材 料工 况弯 曲 ( F = 20 N)最 大 位 移 /mm最 大 应 力 /MPa侧 向 弯 曲 ( F = 20 N)最 大 位 移 /mm最 大 应 力 /MPa扭 转 ( F = 10 N 2)最 大 位 移 /mm最 大 应 力 /MPa模 态模 态 一 频 率 /Hz模 态 二 频 率 /Hz原 车 门 3. 79 28. 1 0. 54 9. 51 0. 13 11. 30 30. 5 40. 3高 强 钢 3. 84 48. 4 0. 51 8. 50 0. 13 12. 60 34.

31、 3 48. 3外 铝 内 钢 3. 89 29. 6 0. 58 10. 30 0. 11 3. 86 30. 7 42. 0全 铝 3. 93 12. 5 0. 60 4. 59 0. 11 3. 66 39. 4 50. 6复 合 材 料 1. 17 40. 0 0. 29 19. 60 0. 10 7. 96 36. 6 47. 54 方 案 评 价4. 1 结 果 分 析根 据 有 限 元 分 析 计 算 的 结 果 ,可 以 计 算 出 刚 度 、第 一 阶 模 态 和 质 量 等 主 要 的 性 能 参 数 (见 表 3) . 其中 ,刚 度 定 义 为 施 加 的 力 与 最

32、大 位 移 的 比 值 (各 结 构方 案 的 施 力 点 和 最 大 位 移 的 节 点 是 一 致 的 ) . 图 13 为四 种 结 构 方 案 与 原 结 构 主 要 性 能 参 数 的 折 线 图 .表 3 各 结 构 方 案 的 刚 度 、 模 态 频 率 及 质 量 对 比Tab. 3 Comparison of rigidity ,frequency and weight with different structures材 料 弯 曲 刚 度 / (N mm - 1) 侧 向 刚 度 / (N mm - 1) 扭 转 刚 度 / (N mm - 1) 第 一 阶 模 态 /

33、Hz 质 量 / kg原 车 门 5. 28 37. 04 76. 92 30. 5 19. 2高 强 钢 5. 21 ( 1. 3 %) 39. 22 ( 5. 9 %) 76. 92 34. 3 15. 3 ( 20. 3 %)外 铝 内 钢 5. 14 ( 2. 6 %) 34. 48 ( 6. 9 %) 90. 91 ( 18. 2 %) 30. 7 14. 7 ( 23. 4 %)全 铝 5. 09 ( 3. 6 %) 33. 33 ( 10 %) 90. 91 ( 18. 2 %) 39. 4 12. 3 ( 35. 9 %)复 合 材 料 17. 09 ( 223 %) 68.

34、97 ( 86 %) 100. 00 ( 30 %) 36. 6 11. 7 ( 38. 8 %)注 :括 号 内 箭 头 和 百 分 数 表 示 该 性 能 提 高 或 下 降 的 百 分 比 .图 13 四 种 结 构 方 案 与 原 结 构 的 主 要 性 能 参 数 对 比Fig. 13 Parameter comparison of four structure schemes总 体 来 说 ,弯 曲 刚 度 基 本 与 原 结 构 持 平 . 采 用 了铝 合 金 材 料 后 ,侧 向 刚 度 略 有 下 降 ;从 扭 转 刚 度 看 ,轻 金 属 材 料 有 优 势 ,复 合 材

35、 料 优 势 最 明 显 ;所 有 轻 质结 构 发 动 机 罩 的 模 态 频 率 均 有 所 增 加 ;质 量 减 轻 明显 ,在 20 % 40 %之 间 .4. 2 方 案 评 价对 于 高 强 钢 结 构 方 案 ,其 弯 曲 刚 度 为 5. 21 Nmm - 1 ,接 近 原 结 构 的 5. 28 N mm - 1 ;侧 向 刚 度 由 原来 的 37. 04 N mm - 1提 高 到 39. 22 N mm - 1 ;扭 转刚 度 则 和 原 结 构 相 同 ;第 一 阶 模 态 频 率 由 30. 5 Hz提 高 到 34. 3 Hz ;减 重 3. 9 kg. 就 刚

36、度 指 标 来 说 ,略高 于 原 结 构 ,减 重 也 达 20. 3 % ,而 且 高 强 钢 的 市 场供 应 、 冲 压 、 焊 接 等 加 工 工 艺 都 比 较 成 熟 ,是 四 种 结构 中 较 理 想 的 轻 量 化 结 构 方 案 . 但 是 由 于 该 方 案 更改 了 内 板 结 构 形 式 ,势 必 影 响 到 其 他 部 件 的 安 装 和配 合 ,因 此 ,高 强 钢 方 案 较 适 合 新 车 型 或 对 原 车 型 有较 大 改 动 的 情 形 .对 于 外 铝 内 钢 的 结 构 方 案 ,其 弯 曲 刚 度 为 5. 14N mm - 1 ,也 较 接 近

37、原 结 构 的 弯 曲 刚 度 值 5. 28 Nmm - 1 ;侧 向 刚 度 为 34. 48 N mm - 1 ,与 原 结 构 的37. 04 N mm - 1相 比 略 有 下 降 ;扭 转 刚 度 有 大 幅 提高 ,由 76. 92 N mm - 1提 高 到 90. 91 N mm - 1 ,增 幅为 18. 2 % ;第 一 阶 模 态 频 率 则 和 原 结 构 基 本 相 同 ;减 重 4. 5 kg. 就 刚 度 指 标 来 说 ,略 低 于 原 结 构 ,但 是也 在 合 理 的 范 围 内 ,减 重 比 为 23. 4 % ,有 很 好 的 轻量 化 效 果 ,而

38、且 内 板 采 用 0. 75 mm 厚 的 高 强 钢 板 ,冲 压 工 艺 和 原 内 板 结 构 接 近 . 由 于 没 改 变 内 板 结 构形 式 ,这 种 方 案 从 工 艺 上 来 说 ,有 较 好 的 实 用 性 和 可行 性 .对 于 全 铝 结 构 方 案 ,其 弯 曲 刚 度 为 5. 09 N2011 同 济 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 ) 第 34 卷 mm - 1 ,在 四 种 结 构 中 最 低 ,但 是 降 低 的 幅 度 并 不大 ,在 5 %以 内 ;侧 向 刚 度 下 降 了 10 % ;扭 转 刚 度 也增 加 了 18. 2 % ;第 一 阶

39、 模 态 频 率 显 著 提 高 ,接 近 40Hz ;减 重 近 6 kg. 就 刚 度 指 标 来 说 ,在 四 种 结 构 中 最低 . 但 是 其 减 重 最 显 著 ,减 重 比 约 达 36 %. 如 果 更 改结 构 形 式 ,有 望 得 到 较 高 的 刚 性 . 因 此 ,该 方 案 适 合全 铝 车 身 的 新 车 型 或 对 原 车 型 有 较 大 改 动 的 情 形 .对 于 复 合 材 料 结 构 方 案 ,其 弯 曲 刚 度 为 17. 09N mm - 1 ,增 幅 明 显 ;侧 向 刚 度 和 扭 转 刚 度 也 有 较 为明 显 的 提 高 ,分 别 提 高

40、86 %和 30 % ;第 一 阶 模 态 频率 提 高 至 36. 6 Hz ;减 重 比 也 为 四 种 结 构 方 案 中 最大 . 从 各 项 指 标 上 看 ,复 合 材 料 是 轻 质 发 动 机 罩 的 最优 选 择 ,但 由 于 其 生 产 工 艺 和 传 统 的 金 属 材 料 完 全不 同 ,需 配 备 全 新 的 生 产 设 备 . 考 虑 到 一 定 的 经 济 性和 实 用 性 ,该 方 案 适 应 于 对 原 车 型 有 较 大 改 动 的 车型 或 者 批 量 小 的 全 新 车 型 .综 上 所 述 ,对 于 四 种 结 构 方 案 ,复 合 材 料 方 案 无

41、论 从 轻 量 化 效 果 还 是 力 学 性 能 上 看 ,具 有 明 显 的 优势 .如 果 克 服 实 际 生 产 中 技 术 条 件 和 经 济 成 本 等 其他 因 素 ,复 合 材 料 轻 质 发 动 机 舱 盖 为 最 佳 选 择 ,高 强钢 方 案 刚 度 指 标 较 好 ,全 铝 结 构 具 有 一 定 的 轻 量 化优 势 ,而 外 铝 内 钢 结 构 属 于 折 中 方 案 .4. 3 复 合 材 料 结 构 方 案 验 证为 了 验 证 复 合 材 料 结 构 方 案 的 可 行 性 ,在 国 外科 研 机 构 的 技 术 支 持 下 ,进 行 了 碳 纤 维 复 合

42、材 料 发动 机 罩 的 试 制 和 试 验 . 试 验 工 况 为 上 述 计 算 机 模 拟工 况 ,所 加 载 荷 和 约 束 条 件 相 同 . 由 于 试 验 条 件 的 限制 ,铰 链 固 定 点 产 生 了 一 定 程 度 的 位 移 ,增 加 了 变 形的 位 移 量 、 试 验 测 量 误 差 和 其 他 因 素 的 干 扰 ,试 验 结果 和 计 算 机 模 拟 结 果 存 在 着 一 定 的 误 差 . 但 从 表 4结 果 比 较 中 还 是 可 以 看 出 ,复 合 材 料 发 动 机 舱 盖 在弯 曲 、 侧 向 弯 曲 以 及 扭 转 工 况 下 的 位 移 均

43、低 于 原 钢制 零 件 ,在 减 重 效 果 达 到 38. 8 %的 情 况 下 ,机 械 性能 却 明 显 优 于 原 钢 制 零 件 ,可 见 碳 纤 维 复 合 材 料 性能 的 优 异 性 .在 成 本 因 素 上 ,虽 然 单 位 体 积 质 量 的 塑 料 价 格要 比 金 属 高 (金 属 材 料 3 4 美 元 kg - 1 ,塑 料 5 7美 元 kg - 1) ,但 复 合 材 料 的 质 量 是 金 属 的 1/ 5 ,而 复合 材 料 的 增 强 纤 维 、 增 固 物 (占 50 %) 是 十 分 便 宜 的(1 2 美 元 kg - 1) ,因 此 复 合 材

44、料 的 价 格 与 金 属 材料 几 乎 相 等 ,而 整 体 质 量 却 轻 于 金 属 本 身 7 .表 4 复 合 材 料 与 钢 制 零 件 试 验 结 果 比 较Tab. 4 Test comparison between CFPR and steel参 数 原 钢 制 零 件 CFRP 复 合 材 料 结 果 比 较质 量 / kg 19. 2 11. 76 38. 8 %弯 曲 (位 移 ) / mm 7. 5 3. 50 38. 8 %侧 向 弯 曲 (位 移 ) / mm 6. 8 4. 80 29. 4 %扭 转 (位 移 ) / mm 1. 5 1. 50 0 5 结 语

45、汽 车 轻 量 化 已 是 大 势 所 趋 . 笔 者 从 轻 量 化 角 度出 发 ,应 用 轻 质 材 料 和 改 进 结 构 ,以 发 动 机 罩 为 例 ,共 提 出 了 四 种 轻 量 化 方 案 ,并 通 过 计 算 机 模 拟 分 析和 样 件 试 验 的 方 法 ,验 证 了 方 案 的 可 行 性 . 可 以 看出 ,采 用 复 合 材 料 进 行 车 身 零 部 件 的 轻 量 化 ,优 势 最明 显 . 然 而 ,对 于 结 构 方 案 的 评 价 主 要 是 从 力 学 性 能和 轻 量 化 效 果 方 面 进 行 的 ,对 于 实 际 生 产 ,还 需 要 结合 经

46、济 性 和 技 术 条 件 等 因 素 具 体 分 析 .参 考 文 献 :1 王 宏 雁 . 轻 量 化 技 术 路 线 研 究 之 四 门 两 盖 总 结 报 告 R . 上 海 :上 海 汽 车 工 程 研 究 院 ,2004.WAN G Hongyan. Summarize report on car doors and hoods oflightweight technical route research R . Shanghai : Shanghai Au2tomotive Engineering Academy , 2004.2 陈 关 龙 ,朱 平 . 轻 量 化 技 术 路

47、 线 研 究 之 车 身 总 结 报 告 R . 上海 :上 海 汽 车 工 程 研 究 院 ,2004.CHEN Guanlong , ZHU Ping. Summarize report on car body oflightweight technical route research R . Shanghai : Shanghai Au2tomotive Engineering Academy , 2004.3 徐 少 英 . 轻 量 化 车 门 的 设 计 D . 上 海 :同 济 大 学 汽 车 学 院 ,2001.XU Shaoying. Lightweight design o

48、f car door D . Shanghai :School of Automotive Engineering , Tongji University , 2001. 4 蔡 四 维 . 复 合 材 料 结 构 力 学 M . 北 京 :人 民 交 通 出 版 社 ,1987.CAI Siwei. Structure theory of composite material M . Beijing :China Communications Press , 1987. 5 Faserverbundwerkstoffe GmbH. Faserverbundwerkstoffe hand2bu

49、ch M . 3rd ed. Deutschland : R &G ,2003. 6 Odeshi A G. Beitrag zur herstellung von kohlenstofffas2erverstaerkten keramikamtrix2verbunden D . Deutschland : Dis2sertation von Technischer Universitaet Chemnitz ,2003. 7 陈 华 辉 . 现 代 复 合 材 料 M . 北 京 :中 国 物 资 出 版 社 ,1998.CHEN Huahui. Advanced composite material M . Beijing : ChinaLogistic Publi