基于等刚度原理的碳纤维发动机罩开发

郭永奇，黄小征，王帅，李飞

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

基于等刚度原理的碳纤维发动机罩开发

郭永奇，黄小征，王帅，李飞

（华晨汽车工程研究院，辽宁 沈阳 110141）

轻量化材料的应用对于电动汽车的减重起到至关重要的作用，为了有效降低汽车覆盖件重量，文章以某电动汽车发动机罩为研究对象，基于等刚度代换原则对已有的钢结构发动机罩进行碳纤维复合材料的替换，并结合有限元分析方法对设计得到的碳纤维发动机罩进行刚度分析。通过对比替换前后不同工况下的刚度值，验证了碳纤维材料替换的可行性，从而为碳纤维复合材料的应用提供了参考方向。

轻量化材料；发动机罩；碳纤维；刚度分析

CLC NO.: U472 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)19-100-04

前言

汽车轻量化是节能减排的重要途径，逐渐成为汽车发展方向。汽车轻量化设计一般通过轻量化材料、制作工艺以及零部件优化等方式实现。碳纤维含碳量在90%以上，是一种力学性能优异的新材料，通过与树脂、金属、陶瓷等基体复合，形成结构材料。碳纤维复合材料因其密度小，比刚度、比模量大，可设计性强等特点，成为汽车轻量化材料中的佼佼者。发动机罩作为车身重要部件之一，其结构简单，受力工况具有代表性，常作为研究分析的首选对象[1]。为了有效降低传统发动机罩重量，掌握汽车轻量化技术，文章基于等刚度代换的原则，对薄壁钢板发动机罩进行碳纤维复合材料的替换，通过对比替换前后不同工况下发动机罩的刚度分析结果，验证了材料替换的可行性，为后续轻量化材料应用提供了参考方向。

1 发动机罩的结构形式

发动机罩是汽车覆盖件的重要组成部分，具有保护发动机、隔音隔热、空气导流等作用。发动机罩通常由内板、外板、内部加强板、锁扣和铰链等组成。传统汽车的发动机罩内外板均为薄钢板，内外板通过翻边压合或粘接组合。本文进行分析的原始钢结构发动机罩如图1所示。

图1 某电动汽车钢结构发动机罩

2 钢结构发动机罩有限元分析

2.1 钢结构发动机罩有限元建模

将钢结构发动机罩几何模型导入HyperMesh前处理软件中，经过抽取中面，几何清理及网格划分等操作，其中网格划分尽量采用四边形单元，且三角形单元数不超过单元总数的5%[2]。发动机罩内、外板采用胶粘和包边方式进行连接，内部加强板与内外板通过焊接方式连接，铰链与内板采用刚性连接。薄板钢结构材料属性：弹性模量为210Mpa，泊松比为0.3，密度为7850kg/m3。建立的发动机罩有限元模型如图2所示。

图2 钢结构发动机罩有限元模型

2.2 钢结构发动机罩刚度分析

图3 发动机罩扭转刚度分析有限元模型

图4 发动机罩扭转刚度分析位移云图

通过考察不同分析工况的刚度值来有效评估发动机罩的刚度是否合格，本文主要选取了发动机罩扭转刚度、侧向刚度、后角点刚度和锁扣刚度作为发动机罩刚度分析对象。其中发动机罩扭转刚度分析有限元模型如图3所示，约束铰链与车身侧安装孔全部自由度以及锁扣Z向自由度，在前端边缘有转角特征区域施加Z向载荷100N，分析结果如图4所示。

对于发动机罩侧向刚度有限元模型如图5所示，约束铰链与车身侧安装孔全部自由度以及锁扣Z向自由度，在发动机罩锁扣处施加Y向载荷180N，分析结果若图6所示。

图5 发动机罩侧向刚度分析有限元模型

图6 发动机罩侧向刚度分析位移云图

对于发动机罩后角点刚度有限元模型如图7所示，约束铰链与车身侧安装孔全部自由度，释放铰链轴向自由度，约束缓冲块及锁扣Z向自由度，在发动机罩外板后角点施加Z向载荷100N，分析结果若图8所示。

图7 发动机罩后角点刚度分析有限元模型

图8 发动机罩后角点刚度分析位移云图

对于发动机罩锁扣刚度有限元模型如图9所示，约束铰链与车身侧安装孔全部自由度，释放铰链轴向自由度，约束缓冲块Z向自由度，在发动机罩锁扣中心处施加Z向载荷196N，分析结果若图10所示。

图9 发动机罩锁扣刚度分析有限元模型

图10 发动机罩锁扣刚度分析位移云图

3 碳纤维发动机罩刚度分析

3.1 等刚度近似理论

通过等刚度近似理论[3]，从而确定发罩内外板的厚度，其中：

对于薄壁结构而言，横截面积的宽度，

式中：Ec为层合板的等效模量；

Ic为复合材料结构横截面的惯性矩；

Es为原结构材料的弹性模量；

Is为原结构横截面的惯性矩；

hc，hs为横截面高度，亦即厚度。根据表达式（3）可以初步确定替换材料的厚度，为了保证替换材料之后结构的刚度，往往基于不同板件作用位置进行厚度调整。此外，根据相关文献[4-5]，单个钣金件刚度为厚度的非线性函数，近似关系表达为

式中：C为几何系数；

E为弹性模量；

t为材料厚度；

λ为厚度指数系数。

根据表达式（4），材料等刚度替换前后的厚度之比，质量之比分别为：

式中：t0、t1分别为材料替换前后的厚度；

E0、E1分别为材料替换前后的弹性模量；

m0、m1分别为材料替换前后的质量；

ρ0、ρ1分别为材料替换前后的密度；

通过表达式（5）（6）可知，等刚度条件下材料的厚度和质量均与弹性模量成反比。对于车身结构，λ通常取值为1~2，几乎很少小于1或大于3。基于上述理论可得发动机罩内、外板进行材料替换后的厚度值，如表1所示。内、外板材料替换厚度指数系数分别为1.38，2.01，满足在1~3的取值。

表1 内、外板材料替换前后厚度对比

3.2 结构设计方案

钢结构发动机罩替换成碳纤维复合材料后，考虑到制造工艺学，各零件会进行相应的调整。在连接方面，内、外板周边由包边结构转换成胶粘结构；铰链加强板与内板的连接由焊接结构转换成胶铆结构；密封条，隔音垫等随着内板厚度进行安装卡扣形式的调整。在结构方面，内板取消涂胶槽，加强筋结构和工艺孔结构，优化切边，如图11所示。此外，根据内外板状态对加强板重新设计优化。

图11 发动机罩内板结构调整示意图

3.3 碳纤维发动机罩有限元刚度分析

基于等刚度代换原则，对钢结构发动机罩进行了碳纤维复合材料的替换，同时考虑制造工艺，对发动机罩结构进行了调整，重新建立的碳纤维复合材料发动机罩有限元模型如图12所示。

图12 碳纤维发动机罩有限元模型

对于碳纤维发动机罩，考察发动机罩扭转刚度、侧向刚度、后角点刚度和锁扣刚度，分析位移云图结果如图13~图16所示。

图13 碳纤维发动机罩扭转刚度分析位移云图

图14 碳纤维发动机罩侧向刚度分析位移云图

图15 碳纤维发动机罩后角点刚度分析位移云图

图16 碳纤维发动机罩锁扣刚度分析位移云图

3.4 材料替换前后刚度分析结果对比

对碳纤维发动机罩进行与原钢结构发动机罩相同的刚度分析，材料替换前后刚度分析结果对比如表2所示。从表2可以看出，碳纤维发动机罩的扭转刚度、侧向刚度和后角点刚度与原钢结构发动机罩基本一致，均有所提高。发动机罩锁扣刚度有了大幅度提高，质量减少46%。

表2 发动机罩材料替换前后刚度分析结果对比

4 结论

发动机罩结构简单，易于实现复合材料的替换。在设计过程中，首先对钢结构发动机罩进行了不同工况下的刚度有限元分析。基于等刚度代换理论对钢结构发动机进行了碳纤维复合材料的替换，通过对比不同工况下材料替换前后刚度值可知，碳纤维发动机罩的扭转刚度、侧向刚度和后角点刚度与原钢结构发动机罩基本一致，均有所提高。发动机罩锁扣刚度有了大幅度提高，发动机罩内、外板质量减少46%。由此可以看出碳纤维复合材料在轻量化方面的巨大潜能。

[1] 韩鹏.碳纤维复合材料发动机罩优化设计研究[D]. 吉林大学,2011.

[2] 汪鸣琦,金国栋.有限元法在汽车车身骨架刚度优化中的应用[J].汽车技术,1998.

[3] 刘鸿文.高等材料力学[M].高等教育出版社,1985.

[4] Li Fang, Patton Richard, Moghal Khurram. The relationship between weight reduction and force distribution for thin wall structures [J].Thin-walled structures, 2005, 43(4): 591-616.

[5] 陈文琳,吴洪亮,熊飞.基于等刚度原理的材料轻量化[J]. 塑性工程学报. 2014(4): 117-122.

Development of Carbon Fiber Engine Hood Based on the Equal Stiffness Principle

Guo Yongqi, Huang Xiaozheng, Wang Shuai, Li Fei
( Huachen automobile engineering research institute, Liaoning Shenyang 110141 )

Application of lightweight materials is of vital importance for weight loss of electric vehicle, in order to reduce the weight of automobile cover panel, the paper is based on an electric vehicle engine hood as the research object, the existing steel engine hood is replaced by carbon fiber composite material based on the principle of equal stiffness substitution, and the stiffness of the designed carbon fiber hood is analyzed by combining with the finite element analysis method. According to compare the stiffness values of different conditions before and after replacement, the comparison verifies the feasibility of replacing carbon fiber material. In addition, it provides some references for the application of carbon fiber composite materials.

Lightweight materials; Engine hood; Carbon fiber; Stiffness analysis

U472 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)19-100-04

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.19.034

郭永奇，就职于华晨汽车工程研究院。