李恒

VARI成型碳纖維引擎蓋剛度有限元分析

李恒

（南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007）

碳纖維輕量化材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要手段，在汽車(chē)領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景，文章對(duì)VARI成型工藝碳纖維引擎蓋進(jìn)行研究，根據(jù)VARI成型工藝特點(diǎn)及引擎蓋力學(xué)性能設(shè)計(jì)了引擎蓋的工藝流程和鋪層方式，在有限元軟件中建立了VARI成型碳纖維引擎蓋有限元模型，并對(duì)VARI成型引擎蓋的剛度進(jìn)行有限元計(jì)算分析。結(jié)果表明，VARI成型碳纖維引擎蓋的安裝變形、邊緣變形、扭轉(zhuǎn)剛度、沖擊變形均符合設(shè)計(jì)要求，采用VARI成型工藝可有效降低引擎蓋重量，實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化。

VARI；碳纖維；引擎蓋；剛度；有限元

前言

汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的環(huán)境污染、能源危機(jī)等問(wèn)題，節(jié)能減排已成為全球汽車(chē)工業(yè)急需要解決的問(wèn)題，輕量化是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排最有效的措施之一，汽車(chē)輕量化可通過(guò)采用輕量化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)。碳纖維復(fù)合材料具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高、比吸能好、抗疲勞、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，故已成了汽車(chē)輕量化研究的重要方向[1-2]。引擎蓋是汽車(chē)車(chē)身的重要組成部分，具有保護(hù)發(fā)動(dòng)機(jī)、隔離噪聲等功能，設(shè)計(jì)碳纖維引擎蓋、實(shí)現(xiàn)引擎蓋輕量化，可有效降低車(chē)身重量。

葉輝等[3]采用熱壓罐成型工藝，通過(guò)優(yōu)化汽車(chē)引擎蓋的鋪層設(shè)計(jì)，制作出的碳纖維引擎蓋在滿(mǎn)足剛度、模態(tài)要求的同時(shí)有效減輕了重量，實(shí)現(xiàn)了引擎蓋減重51.2%。張彥飛等[4]對(duì)引擎蓋真空輔助樹(shù)脂傳遞模塑成型（VARTM）工藝參數(shù)進(jìn)行研究，優(yōu)化了充模流動(dòng)過(guò)程，得出了優(yōu)化注射方案。黃繼峰等[5]采用碳纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合材料替換金屬材料引擎蓋，基于OptiStruct軟件對(duì)引擎蓋多階段進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿(mǎn)足力學(xué)性能和制造工藝的前提下，優(yōu)化后的引擎蓋重量減少了60%。李燕龍等[6]對(duì)純電動(dòng)汽車(chē)引擎蓋SMC成型工藝進(jìn)行研究，通過(guò)采用SMC成型工藝，簡(jiǎn)化引擎蓋結(jié)構(gòu)和連接工藝，實(shí)現(xiàn)了相比傳統(tǒng)金屬材料引擎蓋減重23%。

目前，對(duì)復(fù)合材料引擎蓋的研究多集中在熱壓罐成型、RTM成型等工藝上，對(duì)于真空輔助樹(shù)脂注射成型工藝（Vacuum Assisted Resin Infhsion，VARI）碳纖維引擎蓋研究較少。因此，本文通過(guò)對(duì)VARI 成型碳纖維引擎蓋進(jìn)行研究，采用有限元分析軟件對(duì)VARI成型碳纖維引擎蓋的剛度進(jìn)行分析，驗(yàn)證VARI成型工藝引擎蓋的可行性。

1 碳纖維引擎蓋VARI成型工藝

汽車(chē)覆蓋件常用的成型工藝有手糊成型工藝、樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝（RTM）、熱壓罐成型工藝、片狀模塑料模壓成型工藝（SMC）等。本文碳纖維引擎蓋采用真空輔助樹(shù)脂注射成型工藝（VARI），VARI是在RTM工藝基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型的復(fù)合材料成型工藝，該工藝是將產(chǎn)品密封在模具和真空袋之間，通過(guò)抽真空對(duì)產(chǎn)品均勻加壓，得到最終制品的成型方法[7-8]。相比于手糊成型工藝，VARI成型工藝操作性好，產(chǎn)品性能、質(zhì)量高，生產(chǎn)工作環(huán)境好；相比于RTM、熱壓罐成型工藝，該工藝操作簡(jiǎn)單、工藝成本低，且適用于制件一次整體成型。引擎蓋VARI成型工藝流程如圖1所示。

圖1 引擎蓋VARI成型工藝流程圖

2 鋪層設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料屬于正交各項(xiàng)異性材料，鋪層具有較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性，不同鋪層的方向、順序、數(shù)量決定了成型后構(gòu)件的力學(xué)性能，鋪層設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)構(gòu)件受力情況合理設(shè)置鋪層，最大限度地發(fā)揮纖維材料的性能。在考慮引擎蓋受力情況，遵循對(duì)稱(chēng)鋪層，盡可能減小由于層合板的耦合效應(yīng)而引起的翹曲變形的原則下，本文引擎蓋內(nèi)外板均采用（0°/45°/? 45°/90°）2鋪層方式。材料體系采用T300碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂體系成型，碳纖維材料采用單向布，經(jīng)測(cè)試，每層單向布在VARI成型后厚度為0.2 mm，成型后內(nèi)外板厚度均為1.6 mm。

3 碳纖維引擎蓋剛度有限元分析

汽車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，車(chē)身會(huì)施加給引擎蓋一定的載荷，引起引擎蓋的變形和振動(dòng)，這就要求引擎蓋要具有一定的剛度，綜合考慮引擎蓋的使用條件和受力情況，本文采用有限元法對(duì)碳纖維引擎蓋的安裝變形、邊緣變形、扭轉(zhuǎn)剛度、沖擊變形進(jìn)行有限元分析。

計(jì)算中引擎蓋坐標(biāo)系設(shè)置為沿車(chē)長(zhǎng)方向?yàn)檩S，沿車(chē)寬方向?yàn)檩S，垂直于引擎蓋方向?yàn)檩S。

3.1 引擎蓋安裝變形分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動(dòng)自由度和、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動(dòng)自由度和、、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載條件：在引擎蓋鎖閂處施加200 N垂直向下的載荷，同時(shí)對(duì)引擎蓋總成施加重力載荷。引擎蓋約束、加載示意圖如圖2所示。

圖2 引擎蓋約束、加載示意圖

對(duì)引擎蓋安裝變形進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果顯示引擎蓋最大變形量為0.79 mm，最大變形出現(xiàn)在鎖閂安裝孔處，小于設(shè)計(jì)要求的最大變形量2 mm，其余位置整體變形量較小，符合設(shè)計(jì)要求，引擎蓋安裝變形位移云圖如圖3所示。

圖3 引擎蓋安裝變形位移云圖

3.2 引擎蓋邊緣變形分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動(dòng)自由度和、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動(dòng)自由度和、、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載條件：在引擎蓋側(cè)梁上施加200 N垂直向下的載荷，同時(shí)對(duì)引擎蓋總成施加重力載荷。引擎蓋約束、加載模型如圖4所示。

圖4 引擎蓋約束、加載示意圖

圖5 引擎蓋邊緣變形云圖

對(duì)引擎蓋邊緣變形進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果顯示引擎蓋最大變形量為1.23 mm，最大變形出現(xiàn)左側(cè)邊緣處，小于設(shè)計(jì)要求的最大變形量7 mm，符合設(shè)計(jì)要求，引擎蓋邊緣變形云圖如圖5所示。

3.3 引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動(dòng)自由度和、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在引擎蓋前端一側(cè)緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動(dòng)自由度和、、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載條件：在引擎蓋側(cè)前端另一側(cè)緩沖塊安裝孔處施加170 N垂直向下的載荷，同時(shí)對(duì)引擎蓋總成施加重力載荷。引擎蓋約束、加載模型如圖6所示。

圖6 引擎蓋約束、加載示意圖

對(duì)引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果顯示引擎蓋向最大位移為5.51 mm，引擎蓋的扭轉(zhuǎn)剛度為30.9 N/mm，引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度變形云圖如圖7所示。

圖7 引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度變形云圖

3.4 引擎蓋沖擊變形分析

邊界條件：在引擎蓋鉸鏈安裝螺栓孔處施加約束，約束、、方向移動(dòng)自由度和、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，同時(shí)在引擎蓋前端緩沖塊安裝孔處限制、、方向移動(dòng)自由度和、、方向的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

加載條件：對(duì)引擎蓋總成施加4倍的重力載荷。引擎蓋約束、加載模型如圖8所示。

圖8 引擎蓋約束、加載示意圖

對(duì)引擎蓋沖擊變形進(jìn)行有限元分析，計(jì)算結(jié)果顯示引擎蓋最大變形量為1.32 mm，最大變形出現(xiàn)后部邊緣處，小于設(shè)計(jì)要求的最大變形量7 mm，符合設(shè)計(jì)要求，引擎蓋沖擊變形云圖如圖9所示。

圖9 引擎蓋沖擊變形云圖

4 結(jié)論

（1）本文針對(duì)VARI工藝碳纖維引擎蓋進(jìn)行研究，建立了引擎蓋的有限元模型，并對(duì)引擎蓋的剛度進(jìn)行了有限元分析，分析結(jié)果顯示碳纖維引擎蓋的安裝變形、邊緣變形、扭轉(zhuǎn)剛度、沖擊變形均符合設(shè)計(jì)要求。

（2）在滿(mǎn)足剛度前提下，VARI成型碳纖維引擎蓋重量顯著降低，實(shí)現(xiàn)了車(chē)身輕量化。

[1] 邊文鳳,劉國(guó)軍,賈寶賢.復(fù)合材料汽車(chē)車(chē)輪的強(qiáng)度分析與鋪層設(shè)計(jì)[J].機(jī)械強(qiáng)度,2008(02):315-318.

[2] 童小偉,黃妙華.碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].材料導(dǎo)報(bào),2017,31(S1):477-480.

[3] 葉輝,劉暢,閆康康.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)覆蓋件中的應(yīng)用[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào),2020,50(2):417-425.

[4] 張彥飛,王芳芳,秦澤云,等.引擎蓋VARTM成型充模流動(dòng)模擬及優(yōu)化[J].工程塑料應(yīng)用2012,40(5):46-49.

[5] 黃繼峰,周金宇.混雜纖維復(fù)合材料汽車(chē)引擎蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代制造工程,2018(04):76-83.

[6] 李燕龍,李崢,樊樹(shù)軍,等.SMC材料在某電動(dòng)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋上的應(yīng)用[J].汽車(chē)科技,2015(01):71-75.

[7] 崔辛,劉鈞,肖加余,等.真空導(dǎo)入模塑成型工藝的研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(17):14-18.

[8] N.C.Correia, F.Robitaille,A.C.Long,et al.Analysis of the vacuum infusion moulding process:I. Analytical formulation[J].Compo- sites:Part A,2005:1645-1656.

Finite Element Analysis of the Stiffness of VARI Forming Carbon Fiber Hood

LI Heng

( Nantong Vocational University, Jiangsu Nantong 226007 )

Carbon fiber lightweight material is an important means to realize lightweight of automobiles, which has a wide application prospect in the automobile field. The VARI molding process carbon fiber hood was studied. The process flow and lay-up of the hood were designed according to the VARI molding process characteristics and mechanical properties of the hood. The finite element model of VARI molded carbon fiber hood was established in the finite element software, and finite element calculation and analysis were conducted on the stiffness of VARI molded hood. The result shows that the installation deformation, edge deformation, torsional stiffness, and impact deformation of the VARI molded carbon fiber hood meet the design requirements, the adoption of VARI molding process can effectively reduce the weight of the hood and achieve lightweight of car body.

VARI;Carbon fiber;Hood;Stiffness;Finite element

U467

B

1671-7988(2021)24-121-04

U467

B

1671-7988(2021)24-121-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.028

李恒，南通職業(yè)大學(xué)。

2020年度南通職業(yè)大學(xué)校級(jí)項(xiàng)目（編號(hào)：20ZK06）。