有限元分析在商用車SMC零件開發(fā)中的應用

20世紀70年代開始，原油危機迫使制造商必須找到有效降低車身重量的方式，SMC(Sheet Molding Compound)是聚酯或乙烯酯樹脂與短切玻璃纖維和礦物填料模壓成形的過程，成為汽車制造商為汽車減重的最理想選擇。

與常規(guī)的金屬或熱塑性非金屬材料相比，由于SMC材料制品具有制品耐高溫、尺寸穩(wěn)定性好、設計自由度高、模塊化和集成化程度高以及有A級表面質(zhì)量特性等優(yōu)點，在過去15年中，SMC部件已廣泛用于乘用車、商用車的各個車型領域，尤其是在商用車的中重型卡車外觀裝飾件方面，以SMC為主導的復合材料應用尤為活躍，涉及駕駛室頂蓋、前圍面罩、導風罩角板、保險杠、翼子板、側圍護板、腳踏板、輪罩及其裝飾板、門下裝飾板、前圍裝飾罩、導流板、導流罩和側裙板等眾多部件。

目前在SMC應用到的產(chǎn)品領域，多數(shù)零件之前采用的是金屬材料，在由金屬材料向非金屬材料轉換的過程中，新材料在性能參數(shù)、結構形態(tài)等方面通過何種方式確定尤為重要，經(jīng)過近十幾年來的不斷嘗試和驗證，業(yè)內(nèi)發(fā)現(xiàn)采用有限元分析的手段對此類產(chǎn)品在開發(fā)過程中進行優(yōu)化分析，能大大提升設計的成功率。

玻璃纖維增強復合材料及SMC的物理特性

玻璃纖維增強復合材料(俗稱玻璃鋼)的基本性能主要取決于基體和增強材料兩大組分以及它們之間的結合形式，即玻璃纖維、熱固性樹脂或熱塑性樹脂、纖維和樹脂間的界面，而對于增強材料玻璃纖維來說，其排列方式的不同是直接影響材料物理性能的關鍵因素，圖1所示為組成增強型復合材料的3種典型纖維物質(zhì)的排列組成形式，以及對應的成形工藝。

第一種形式為單向纖維增強的玻璃鋼，這一類玻璃鋼的玻璃纖維定向排列在一個方向，是用連續(xù)紗或單絲片鋪層的。在纖維方向上，其有很高的彈性模量和強度，但在垂直纖維方向上，強度很低。只有嚴格的單向受力情況下，才使用這類玻璃鋼。

第二種形式為雙向纖維增強的玻璃鋼，這類玻璃鋼是用雙向織物鋪展的，在兩個正交的纖維方向上，有較高的強度。它適用于矩形的平板或薄殼結構物。

第三種形式便是本文所討論的片狀模塑料(簡稱SMC)，為準各向同性的一種玻璃鋼，這類玻璃鋼是用短切纖維氈或模塑料制成的，對于SMC來說，在片材制作時，是將短切玻纖均勻拋灑在樹脂糊中而成，所以從宏觀上我們可以將SMC看作是一種相對意義上的各向同性的復合材料，且具備線性物理性能，其纖維體積含量一般小于40%，適用于強度、剛度要求不高或荷載不很清楚而只能要求各向同性的產(chǎn)品。

SMC材料性能參數(shù)的測定

強度是衡量一種材料的重要性能，它通常是指單位面積所能承受的最大荷載，超過這個荷載，材料就破壞。強度分為拉伸強度、壓縮強度、彎曲強度和剪切強度等，針對SMC工藝的汽車外飾件來說，受力承載方式多為彎曲和拉伸，所以在做有限元分析時，我們通常只需測得這兩種受力形式下的性能參數(shù)即可。

圖2和圖3所示為某種典型SMC片材在常溫下做拉伸和彎曲應力測試時的應力應變曲線變化圖，從曲線的走勢可以看出，材料沒有塑性變形過程，屈服強度即是極限強度，同時可以看出材料的拉伸曲線和彎曲曲線在走勢上的區(qū)別，這也反映出SMC材料的多樣性和復雜性。

有限元分析在SMC重型載重貨車外飾件開發(fā)過程中的應用

1.減少車身重量

在產(chǎn)品設計過程中，為了保證產(chǎn)品有足夠的強度和剛度，并能達到預定的性能指標，通常會根據(jù)以往的設計經(jīng)驗進行保守設計，但如果安全系數(shù)設定的過大，產(chǎn)品強度過剩，無疑會對產(chǎn)品成本造成一定負擔;使整車重量上升，無法體現(xiàn)復合材料取代金屬材料的重量優(yōu)勢，在節(jié)能、減排方面也會產(chǎn)生負面影響。如果采用有限元拓撲優(yōu)化分析方法，便可以做到在保證產(chǎn)品性能達標的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品重量最輕化的目標。

實現(xiàn)這個目標的過程如下：先根據(jù)產(chǎn)品的型面、邊界、固定點以及具體的受力承載方式構建設計初步的加強結構;然后用CAE軟件對初始3D模型進行有關剛度、強度及模態(tài)方面的分析計算;根據(jù)計算的結果對原始模型進行拓撲優(yōu)化，采用削強補弱的基本方法修改數(shù)據(jù);對優(yōu)化后的結構模型重新計算分析，比較拓撲優(yōu)化前后結構的性能指標，分析拓撲優(yōu)化方案的合理性，在經(jīng)過反復幾輪優(yōu)化和比較后，得到最終的理想狀態(tài)。

以某款車型的保險杠為例，優(yōu)化前產(chǎn)品的均勻厚度為5?mm，根據(jù)固定點位置，結合產(chǎn)品的踩踏要求，對結構可以做優(yōu)化調(diào)整，考慮到SMC工藝制品的特殊性，對產(chǎn)品厚度做了以下調(diào)整，如圖4所示：將①所指非受力不可見區(qū)域的厚度由5?mm改為3?mm，將②位置踩踏區(qū)域的厚度由5?mm改為6?mm，將③大燈沉臺區(qū)域的厚度由5?mm改為3?mm，將其他區(qū)域的厚度由5?mm改為4?mm。

經(jīng)過厚度優(yōu)化，產(chǎn)品的質(zhì)量減少了5.96?kg，同時，在4種踩踏要求的條件下(見圖5)，各位置的應力值均控制在允許的目標值(50?MPa)以下，并且多數(shù)位置的應力值都比較均衡，具體數(shù)值如表1所示。

2.驗證產(chǎn)品總成的強度和剛度等物理性能

產(chǎn)品在設計階段已經(jīng)定義了產(chǎn)品的性能目標參數(shù)，為了驗證產(chǎn)品的材料、結構和工藝是否達到預期的目標值，就需要提前通過CAE的手段進行理論驗證，以減少產(chǎn)品在開發(fā)階段后期不斷進行的修改所產(chǎn)生的成本風險。

以某款中型貨車的前圍面罩為例，開啟抗拉強度是面罩性能指標中比較重要的一項，具體要求為：在面罩完全固定的情況下，在中心下邊界水平施加98?N的拉力，要求面罩該處的變形量不大于6?mm。

為了分析原始數(shù)據(jù)是否能夠滿足預先定義的性能指標，需要應用CAE的方法進行分析驗證，先根據(jù)產(chǎn)品的實際裝配情況對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進行約束定位，然后進行材料性能參數(shù)的定義和劃分網(wǎng)格等一系列的前期準備工作，隨后通過計算機的模擬計算得到產(chǎn)品在受力狀態(tài)下的變形情況，以對產(chǎn)品的結構進行優(yōu)化改進：

(1)措施一 如圖6所示，在受力位置增加橫向貫通的加強筋，優(yōu)化后經(jīng)過分析變形量減少至7.33?mm。

(2)措施二 如圖7所示，將斷開的凹凸造型用加強筋連接起來，優(yōu)化后經(jīng)過分析變形量減少至7.15?mm。

(3)措施三 如圖8所示，增加產(chǎn)品受力區(qū)域的厚度，優(yōu)化后經(jīng)過分析變形量減少至6.61?mm。

(4)措施四 如圖9所示，增加加強筋的高度，優(yōu)化后經(jīng)過分析變形量減少至5.59?mm。

經(jīng)過優(yōu)化改善后，產(chǎn)品的變形值由8.52?mm改善至5.59?mm，最終達到了性能目標，如表2所示。

3.分析產(chǎn)品的固有頻率，避免發(fā)生共振

圖10為某重型載重貨車車型的后輪擋泥板總成，在實車驗證時發(fā)現(xiàn)擋泥板在車輛發(fā)動機怠速運轉時抖動嚴重，用有限元分析后發(fā)現(xiàn)，擋泥板含支架總成的自身固有頻率與發(fā)動機怠速頻率非常接近，因此發(fā)生了共振引起的抖動，為了避開共振頻率，同時又不降低原有的產(chǎn)品強度，我們經(jīng)過計算分析，發(fā)現(xiàn)通過將橙色的連接支架向外側移動，成功避開了怠速頻率，解決了抖動問題。

4.改善產(chǎn)品結構設計，減少產(chǎn)品的質(zhì)量缺陷

除以上兩種情況外，還可以通過CAE的分析計算，得出產(chǎn)品在受力狀態(tài)下，不同結構位置處的拉伸和彎曲內(nèi)應力，從而評估該位置存在開裂和破損等潛在的失效風險，從而調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品結構，消除產(chǎn)品在使用過程中的潛在質(zhì)量問題。同時，在不斷的結構優(yōu)化過程中，逐漸吸取教訓和總結經(jīng)驗，形成一套完整的SMC工藝制品的結構設計規(guī)范，以便為以后的產(chǎn)品設計起到指導性的作用。

(1)案例一 如圖11所示，一保險杠的踩踏區(qū)域在受力狀態(tài)下，圓角區(qū)域應力過大，有開裂的風險，后采取的優(yōu)化措施為：增加該區(qū)域的產(chǎn)品厚度并加大應力集中處的圓角半徑。

(2)案例二 如圖12所示，保險杠上踩踏區(qū)在受力狀態(tài)下，背部加強筋根部應力過大，有開裂的風險，后采取的措施為：增加加強筋與踩踏面的過渡區(qū)域以分散應力。

需要注意的問題

1.產(chǎn)品在不同受力形式作用下的結果判定

用FEA工具對數(shù)據(jù)分析時，最直觀的方法是確定產(chǎn)品在受力狀態(tài)下，不同位置產(chǎn)生的應力值是否大于原材料的許用應力值，但考慮到復合材料物理性能的復雜性，拉伸、彎曲和剪切強度都不盡相同，此時我們就需要根據(jù)受力形式來確定應該判定哪種強度。

產(chǎn)品在多種載荷作用下不同位置的受力形式是不同的，產(chǎn)品在固定狀態(tài)下，外界的拉力和壓力在型面上產(chǎn)生的是彎曲應力，這時就要用彎曲強度來做對比，而加強筋的頂部多承受拉伸應力，就要用拉伸強度來做判定;當產(chǎn)品的固定點等位置多承受重力的剪切力作用時，則要考慮用剪切強度來做判定。

當不能直觀判斷產(chǎn)品的受力方式時，需要根據(jù)應力云圖的受力趨勢進行判斷。當某個受力單元兩側的應力值正負相反(見圖13a)，則為拉伸狀態(tài);如果正負相對(見圖13b)，則為壓縮狀態(tài)，此時都用拉伸強度來判定;當受力單元的上下端，一端為拉伸、一端為壓縮(見圖13c)，則為彎曲受力，此時需要用彎曲強度來判定;當受力單元的上下端的應力值相反且趨勢一致(見圖13d)，則為剪切受力，此時需要用剪切強度來判定。

2.生產(chǎn)工藝過程造成的對材料性能的不確定性

盡管我們將SMC材料的物理特性視為各向同性，但事實上，玻璃鋼還是一種非均質(zhì)材料。

在SMC片材生產(chǎn)過程及制品模壓過程中，生產(chǎn)工藝的過程控制會直接影響到產(chǎn)品最終的物理性能。首先，在制作片材時，玻璃纖維的長度、含量和不同區(qū)域的均勻性都會成為直接影響因素，并且當產(chǎn)品在模壓時，片材的鋪放位置、流動方向、產(chǎn)品造型結構、模具的加熱及真空吸附等輔助措施都會影響到纖維的排列方向以及單位面積含量，這就直接決定了我們對原材料性能參數(shù)的測試判定。

正是由于纖維和樹脂在玻璃鋼材料內(nèi)分布不均勻，以及玻璃纖維排列的各向異性，所以即使是同一塊材料，但由于取樣的產(chǎn)品批次以及所處部位不同，測得的性能參數(shù)也不盡相同。

對于這一影響因素，常用的做法是要多取樣，在不同生產(chǎn)批次的產(chǎn)品中找出性能參數(shù)的下限值作為判定目標，然后在同一產(chǎn)品上盡可能在不同位置進行取樣，由于有時候產(chǎn)品的型面比較復雜，無法制作試樣，則會制作一定尺寸的試樣模壓制平面制品以供取樣。

3.測試方法對材料性能參數(shù)的影響

由于所有測試結果都是建立在某種特定的測試方法的基礎上，所以有時需要考慮測試方法不同所造成的影響。

國內(nèi)目前對玻璃鋼彎曲和拉伸強度的測試方法都參照標準GB /T 1449-2005和GB /T 1447-2005，但在做國際交流時則需要考慮國內(nèi)外在測試方法上的區(qū)別，如采樣尺寸、加載情況和計算方式等不同都會造成結果差異，所以同一種材料在不同的測試方法下產(chǎn)生不同的測試結果是正常的，但差異不應該太大，為了進一步確認測試結果的準確性，最直接的方法就是對成品進行實際模擬測試，然后與FEA的計算結果進行對比再進一步修正。

結語

將有限元的計算分析理論與重型載重貨車外飾件的結構設計相結合，可以保證在達到產(chǎn)品理想強度的前提下，最大程度地實現(xiàn)汽車輕量化要求，同時利用理論與實踐相結合的基本思路，優(yōu)化設計方案、提升制造工藝，減少產(chǎn)品在批量化生產(chǎn)過程中產(chǎn)生物理性能問題的風險。但由于復合材料性能存在多樣性和復雜性，如何將有限元分析的手段正確地應用到生產(chǎn)實際中，并真正起到指導設計與生產(chǎn)的作用，未來還有很多的課題內(nèi)容需要研究。