付燕鵬 葉瑜合 譚敦松

摘 要：文章以汽車輕量化材料鋁合金板材為例，通過鋁合金板材在發(fā)蓋上應(yīng)用環(huán)境條件的討論，明確鋁合金發(fā)蓋的研究的意義。并通過鋁合金和傳統(tǒng)鋼制板材的材料參數(shù)對比研究，從發(fā)蓋扭轉(zhuǎn)剛度、抗凹性、模態(tài)、強(qiáng)度、行人保護(hù)等性能角度詳細(xì)剖析了鋁合金發(fā)蓋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和目標(biāo)，總結(jié)關(guān)鍵影響因素并提出了一套綜合優(yōu)化方案，為初始階段的鋁合金發(fā)蓋設(shè)計(jì)提供了一套可借鑒的方法。

關(guān)鍵詞：鋁合金發(fā)蓋；扭轉(zhuǎn)剛度；抗凹性；模態(tài)；強(qiáng)度；行人保護(hù)

中圖分類號：U467 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-107-04

Abstract： In this paper， discuss the aluminum alloy plate in the application of environmental conditions on the hood and understand its significance. Based on the comparison of the material parameters of aluminum alloy and traditional steel sheet， the design points and objectives of aluminum hood are analyzed in detail from the aspects of torsion stiffness， dent resistance， modal， strength and pedestrian protection. Influencing factors and put forward a set of comprehensive optimization scheme. For the initial stage of the aluminum hood design to provide a set of methods can be used.

Keywords： aluminum hood； torsion stiffness； dent resistance； modal； strength； pedestrian protection

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-107-04

引言

隨著全球汽車保有量的不斷增多和汽車工業(yè)的發(fā)展，全球能源危機(jī)和環(huán)境污染的日益嚴(yán)重，因此對汽車節(jié)能減排的要求也不斷提高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車重量每減輕10%，油耗可降低6%-8%，減排4%。汽車輕量化是汽車節(jié)能減排的重要措施，也是未來世界汽車發(fā)展的必然趨勢。

汽車輕量化設(shè)計(jì)主要有2種方式：（1）設(shè)計(jì)更加合理的結(jié)構(gòu)，從而避免過設(shè)計(jì)；（2）采用新材料替換原有傳統(tǒng)材料，通常采用鋁合金、鎂合金、復(fù)合材料等輕型材料或高輕度剛替代普通低碳鋼提高性能，減輕重量[1]。

本文通過鋁合金板材在發(fā)蓋上應(yīng)用環(huán)境條件的討論，明確鋁合金發(fā)蓋的研究的意義。并通過鋁合金和傳統(tǒng)鋼制板材的材料參數(shù)對比研究，從發(fā)蓋扭轉(zhuǎn)剛度、抗凹性、模態(tài)、強(qiáng)度、行人保護(hù)等性能角度詳細(xì)剖析了鋁合金發(fā)蓋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和目標(biāo)，總結(jié)關(guān)鍵影響因素并提出了一套綜合優(yōu)化方案，為初始階段的鋁合金發(fā)蓋設(shè)計(jì)提供了一套可借鑒的方法。

1 鋁合金發(fā)蓋的設(shè)計(jì)環(huán)境

在整車汽車市場上，鋁合金在車身上的運(yùn)用越來越普遍。發(fā)蓋作為轎車前部的典型外覆蓋件。由于其大部分性能需求都屬于剛度類，行人保護(hù)又給發(fā)蓋創(chuàng)造了大量設(shè)計(jì)空間，所以可以彌補(bǔ)鋁合金彈性模量不足的缺陷，相對輕松的達(dá)到發(fā)蓋的性能要求。同時(shí)，發(fā)蓋還有以下特點(diǎn)：發(fā)蓋在前碰中不是傳力路徑，強(qiáng)度要求低；發(fā)蓋上配重較少，自身結(jié)構(gòu)對模態(tài)起主要作用；發(fā)蓋材料利用率高，減重成本；主機(jī)廠往往有改善前后懸配重的需求等等……。發(fā)蓋系統(tǒng)的諸多特點(diǎn)，為鋁合金板材的運(yùn)用提供了更低成本、更輕松的應(yīng)用環(huán)境。

2 鋁合金發(fā)蓋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能

2.1 材料參數(shù)對比

將常用鋼制發(fā)蓋內(nèi)外板材料（DC05、H180Y）和鋁合金發(fā)蓋內(nèi)外板材料（5182、6021）對比發(fā)現(xiàn)：鋁合金最大優(yōu)勢在于密度??；而最大的不足在于彈性模量低、成型性差，詳見表1。

彈性模量和零件剛度有關(guān)，例如，拉伸和壓縮剛度為EA，其中E為彈性模量，A為截面面積。彎曲剛度為EI，其中E為彈性模量，I為截面慣性矩。所以在結(jié)構(gòu)類似的情況下，選用彈性模量小的鋁合金材料將導(dǎo)致發(fā)蓋剛度類的性能都下降，抵抗荷載作用下的變形能力也變差。下文將通過鋁制發(fā)蓋（內(nèi)板5182，料厚0.9mm；外板6021，料厚1.0mm）替換鋼制發(fā)蓋（內(nèi)板DC05，外板H180Y，料厚均為0.7mm），從扭轉(zhuǎn)剛度、抗凹性、模態(tài)、強(qiáng)度和行人保護(hù)方面綜合論述鋁合金對發(fā)蓋性能的影響，提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化方向。

2.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與扭轉(zhuǎn)剛度

發(fā)蓋的扭轉(zhuǎn)剛度是約束發(fā)蓋鉸鏈和鎖扣處特定自由度，在其左右前角點(diǎn)施加垂直于外板的力，測試發(fā)蓋系統(tǒng)抵抗變形的能力。通過DFSS對發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋扭轉(zhuǎn)剛度影響因子的分析和排序得知，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋中間梁深度、后梁深度、前梁寬度和中間梁寬度是影響扭轉(zhuǎn)剛度的重要因子，是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，詳見圖1。

可知，當(dāng)鋁替換鋼，彈性模量E降低為原來三分之一時(shí)，想要維持相當(dāng)?shù)呐まD(zhuǎn)剛度，則I需要提升至之前的3倍。 根據(jù)力學(xué)理論，截面慣量I與料厚相關(guān)，基本成正比。即假設(shè)梁截面外輪廓尺寸不變，發(fā)蓋材料由鋁替換鋼時(shí)，由于鋁材料厚增加，慣量提升至1.5倍。因?yàn)榻孛鎽T量I又與梁深度H3基本上成正比，可以通過梁深度增加26%，將慣量再提升為原來的2倍。從而實(shí)現(xiàn)鋁合金替代鋼制發(fā)蓋后扭轉(zhuǎn)剛度性能的穩(wěn)定。

2.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與抗凹性

發(fā)蓋的抗凹性是發(fā)蓋處于關(guān)閉狀態(tài)下，對其鉸鏈和鎖扣處進(jìn)行約束，在外板表面垂直施加載荷，測試發(fā)蓋系統(tǒng)抵抗變形的能力。故將發(fā)蓋系統(tǒng)簡化為簡支梁模型。

a為支撐點(diǎn)的距離，b為外板料厚。當(dāng)采用鋁替換鋼時(shí)，E由205Gpa下降為69Gpa，僅為鋼材的1/3。如果要保證相同的抗凹性，則I需要是之前的3倍。假設(shè)發(fā)蓋內(nèi)板支撐位置相同，則a為定值。鋼材I鋼=a*0.73/12。鋁材I鋁=a*13/12≈3*I鋼。故鋁材替換鋼制發(fā)蓋抗凹性可達(dá)到目標(biāo)。

2.4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與模態(tài)

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性，與系統(tǒng)的振動(dòng)重量有關(guān)?？紤]發(fā)蓋上的安裝附件較少，其模態(tài)主要取決于自身，故直接將發(fā)蓋鈑金系統(tǒng)作為模態(tài)研究的對象，并根據(jù)安裝約束特性簡化為鉸鏈、鎖扣、緩沖件支撐的簡支梁模型來計(jì)算其模態(tài)。

可知一階模態(tài)的影響因素主要為：1、慣量；2、彈性模量；3、重量。根據(jù)截面慣量I的計(jì)算公式3、4，不考慮緩沖塊及附件，如果鋁制發(fā)蓋替換鋼制發(fā)蓋后需要得到相同的一階模態(tài)，則 H鋁=1.026H鋼。即鋁制發(fā)蓋梁深度增加2.6%之后，可以得到基本相同的模態(tài)。若加上緩沖塊及附件，由于緩沖塊剛度不變，鋁制發(fā)蓋零件重量更小，模態(tài)會上升。

2.5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與強(qiáng)度

根據(jù)表1的材料對比可以發(fā)現(xiàn)，對于發(fā)蓋內(nèi)板而言，鋁5182的屈服強(qiáng)度較鋼DC05更高。

可知當(dāng)鋁合金發(fā)蓋采用比鋼制發(fā)蓋更厚的料厚及更大的斷面時(shí)，整體應(yīng)力水平會下降，發(fā)蓋內(nèi)板強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)也更小。

但是由于發(fā)蓋鎖扣本身的高強(qiáng)度和拉脫力要求，決定了鎖扣與加強(qiáng)板的連接工藝和材料強(qiáng)度要求都較高。所以從零件強(qiáng)度的性能、連接工藝、防腐性能、成本、重量等方面的綜合考慮，鋁合金發(fā)蓋的鎖扣及鎖扣加強(qiáng)板仍然采用鋼材。推薦將鎖扣和鎖扣加強(qiáng)板熱卯后做成黑漆件，以TOX或穿刺鉚接的工藝與鋁材連接來同時(shí)保證強(qiáng)度和防腐蝕的要求。

2.6 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與行人保護(hù)

基于公司某款A(yù)字梁發(fā)蓋的結(jié)構(gòu)，用鋁合金替代鋼制，截面尺寸不變，料厚由0.7變?yōu)?.0mm。其仿真結(jié)果如圖所示：

通過頭部加速度時(shí)間歷程曲線得知，在前艙空間無限制的條件下，截面尺寸不變的前提下，鋁合金發(fā)蓋頭部總體傷害值相比鋼制發(fā)蓋變化不大。其主要原因是，鋁合金發(fā)蓋的加速度曲線第一個(gè)峰值較鋼制發(fā)蓋下降明顯，但在14-16s出現(xiàn)明顯的第二波峰，導(dǎo)致HIC與鋼制發(fā)蓋差距不大。

通過文獻(xiàn)[2]對頭部合成加速度的研究，理想的加速度曲線如圖3。結(jié)合圖2為了獲得更加理想的加速度曲線，鋁合金發(fā)蓋需要增加速度曲線的第一個(gè)峰值，減少第二個(gè)峰值，來降低頭部傷害值。

通過鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板更改對加速度曲線第一波峰影響的對比研究可知，第一峰值的主要影響因子為撞擊帶動(dòng)的外板質(zhì)量，見圖4。同時(shí)也解釋了圖2中，鋁合金發(fā)蓋雖然帶動(dòng)面積較大，但由于其密度較輕，第一個(gè)峰值依然較小的現(xiàn)狀。鋁合金發(fā)蓋的目的是汽車輕量化，故通過增加發(fā)蓋外板重量，優(yōu)化加速度第一峰值的方式是不經(jīng)濟(jì)也不可取的。對于一個(gè)鋁制發(fā)蓋，如何通過內(nèi)板結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，降低加速度曲線的第二峰值是發(fā)蓋行人保護(hù)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

通過對鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板X-X結(jié)構(gòu)梁和波浪梁HIC值對比分析可知，在壓潰空間小，僅60mm的情況下，挖空面積小、梁結(jié)構(gòu)密集的波浪梁相比X-X的結(jié)構(gòu)梁，增加了人-車碰撞的帶動(dòng)質(zhì)量，HIC傷害值更加穩(wěn)定也更加低。同時(shí)波浪梁結(jié)構(gòu)能讓頭部碰撞的能量在更少的空間內(nèi)被吸收，對發(fā)蓋設(shè)計(jì)空間要求更低。所以鋁合金發(fā)蓋內(nèi)板考慮到行人保護(hù)性能，中部梁結(jié)構(gòu)建議設(shè)計(jì)為波浪梁或碗狀梁，推薦深度為25mm，見圖5。雖然波浪梁結(jié)構(gòu)的鋁制發(fā)蓋略重，但此類結(jié)構(gòu)的鋁制發(fā)蓋相比鋼制發(fā)蓋減重比率一般也≥40%，且行人保護(hù)結(jié)果及剛度性能較好。

表2為公司推薦的鋼制發(fā)蓋的內(nèi)板結(jié)構(gòu)和梁斷面初始化設(shè)計(jì)尺寸。根據(jù)上文論述，為平衡發(fā)蓋剛度類性能和行人保護(hù)需求，鋁制發(fā)蓋內(nèi)部結(jié)構(gòu)和各梁結(jié)構(gòu)斷面尺寸推薦如表2：

3 結(jié)論

鋁合金是重要的汽車輕量化材料，發(fā)蓋系統(tǒng)的性能、空間布置等又為鋁合金的應(yīng)用提供了良好的環(huán)境。本文通過鋁合金和鋼制板材的材料參數(shù)對比研究，從發(fā)蓋的性能角度詳細(xì)剖析了鋁合金發(fā)蓋的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和目標(biāo)，總結(jié)關(guān)鍵影響因素并提出了一套綜合優(yōu)化方案，為初始階段的鋁合金發(fā)蓋設(shè)計(jì)提供了一套可借鑒的方法，為后續(xù)鋁合金發(fā)蓋設(shè)計(jì)具有較好的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱平，孟瑾，喻明，馮奇，周慶偉.轎車鋁合金發(fā)動(dòng)機(jī)罩板的輕量化設(shè)計(jì)與可制造性分析.中國公路學(xué)報(bào)[J]. 2011.

[2] 董麗萍，朱西產(chǎn)，馬志雄，張軼川.基于頭部合成加速度波形的發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋夾心層設(shè)計(jì).汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)[J].2012.07.