轻质结构发动机罩设计研究

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.E -mail:why-sos@

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、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,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)08-1098-06

Lightweight Structure of Engine Hood

WAN G Hongyan 1,GA O Weimin 2,PAN L ingling 1,L I U Chunj ie 1

(1.Clean Energy Automotive Engineerin g Center,Tongji University,Shanghai 200092,China;

2.Pan Asia Tech ni cal Automotive Center Co.Ltd.,Shanghai 201201,China)

Abstract :Four motor hood structures of different materials are desig ned by taking lightw eight m aterial characteristics,technique of production and connection into consideration.After topology optimization these structures are analyzed and estimated by the finite element analysis(FEA)simulation results.T he carbon fiber reinforced plastic(CFRP)structure,w hose performance is the best among the four structures,is chosen for trial-producing and testing.The superior perform ance of CFRP structure is v alidated by a com parison study of test results and simulation results.In this paper the technical route of lightweight for car body com ponents is discussed in the aspects of the lightw eight method,design and test specification,material selection and structure desig n.Key words :motor hood;lig htweig ht;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)

JOU RNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NAT URAL SCIENCE)Vol.34No.8 Aug.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440MPa 的高强度钢板,而A 柱、中柱和门柱则分别采用抗拉强度为590M Pa,980M Pa 和1470MPa 的高强度钢板,发动机罩则使用了抗拉强度为340MPa 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3074P 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0.目前复合材料产品在国际上,尤其在美国正在迅速发展.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),Lum ina 等.其复合材料面包车、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1600万辆汽车中,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、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.二者通过翻边滚压和粘合的方式连接为一体.

图1 发动机罩三维数模Fig.1 CAD -Date 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].I -deas 软件Lam inates 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100~200e ,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

第8期王宏雁,等:轻质结构发动机罩设计研究