有限元分析在商用車SMC零件開發(fā)中的應(yīng)用

20世紀(jì)70年代開始，原油危機(jī)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(shè)計(jì)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(diǎn)，在過去15年中，SMC部件已廣泛用于乘用車、商用車的各個(gè)車型領(lǐng)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(dǎo)的復(fù)合材料應(yīng)用尤為活躍，涉及駕駛室頂蓋、前圍面罩、導(dǎo)風(fēng)罩角板、保險(xiǎn)杠、翼子板、側(cè)圍護(hù)板、腳踏板、輪罩及其裝飾板、門下裝飾板、前圍裝飾罩、導(dǎo)流板、導(dǎo)流罩和側(cè)裙板等眾多部件。

目前在SMC應(yīng)用到的產(chǎn)品領(lǐng)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(zhuǎn)換的過程中，新材料在性能參數(shù)、結(jié)構(gòu)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(yàn)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(jìn)行優(yōu)化分析，能大大提升設(shè)計(jì)的成功率。

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料及SMC的物理特性

玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(俗稱玻璃鋼)的基本性能主要取決于基體和增強(qiáng)材料兩大組分以及它們之間的結(jié)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(qiáng)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(guān)鍵因素，圖1所示為組成增強(qiáng)型復(fù)合材料的3種典型纖維物質(zhì)的排列組成形式，以及對應(yīng)的成形工藝。

第一種形式為單向纖維增強(qiáng)的玻璃鋼，這一類玻璃鋼的玻璃纖維定向排列在一個(gè)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(qiáng)度，但在垂直纖維方向上，強(qiáng)度很低。只有嚴(yán)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(qiáng)的玻璃鋼，這類玻璃鋼是用雙向織物鋪展的，在兩個(gè)正交的纖維方向上，有較高的強(qiáng)度。它適用于矩形的平板或薄殼結(jié)構(gòu)物。

第三種形式便是本文所討論的片狀模塑料(簡稱SMC)，為準(zhǔn)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(shí)，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(fù)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(qiáng)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(qiáng)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(gè)荷載，材料就破壞。強(qiáng)度分為拉伸強(qiáng)度、壓縮強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度和剪切強(qiáng)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(shí)，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(yīng)力測試時(shí)的應(yīng)力應(yīng)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(qiáng)度即是極限強(qiáng)度，同時(shí)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(fù)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(yīng)用

1.減少車身重量

在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中，為了保證產(chǎn)品有足夠的強(qiáng)度和剛度，并能達(dá)到預(yù)定的性能指標(biāo)，通常會(huì)根據(jù)以往的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行保守設(shè)計(jì)，但如果安全系數(shù)設(shè)定的過大，產(chǎn)品強(qiáng)度過剩，無疑會(huì)對產(chǎn)品成本造成一定負(fù)擔(dān);使整車重量上升，無法體現(xiàn)復(fù)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(huì)產(chǎn)生負(fù)面影響。如果采用有限元拓?fù)鋬?yōu)化分析方法，便可以做到在保證產(chǎn)品性能達(dá)標(biāo)的前提下，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品重量最輕化的目標(biāo)。

實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)的過程如下：先根據(jù)產(chǎn)品的型面、邊界、固定點(diǎn)以及具體的受力承載方式構(gòu)建設(shè)計(jì)初步的加強(qiáng)結(jié)構(gòu);然后用CAE軟件對初始3D模型進(jìn)行有關(guān)剛度、強(qiáng)度及模態(tài)方面的分析計(jì)算;根據(jù)計(jì)算的結(jié)果對原始模型進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，采用削強(qiáng)補(bǔ)弱的基本方法修改數(shù)據(jù);對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)模型重新計(jì)算分析，比較拓?fù)鋬?yōu)化前后結(jié)構(gòu)的性能指標(biāo)，分析拓?fù)鋬?yōu)化方案的合理性，在經(jīng)過反復(fù)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(xiǎn)杠為例，優(yōu)化前產(chǎn)品的均勻厚度為5?mm，根據(jù)固定點(diǎn)位置，結(jié)合產(chǎn)品的踩踏要求，對結(jié)構(gòu)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(tái)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(shí)，在4種踩踏要求的條件下(見圖5)，各位置的應(yīng)力值均控制在允許的目標(biāo)值(50?MPa)以下，并且多數(shù)位置的應(yīng)力值都比較均衡，具體數(shù)值如表1所示。

2.驗(yàn)證產(chǎn)品總成的強(qiáng)度和剛度等物理性能

產(chǎn)品在設(shè)計(jì)階段已經(jīng)定義了產(chǎn)品的性能目標(biāo)參數(shù)，為了驗(yàn)證產(chǎn)品的材料、結(jié)構(gòu)和工藝是否達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)值，就需要提前通過CAE的手段進(jìn)行理論驗(yàn)證，以減少產(chǎn)品在開發(fā)階段后期不斷進(jìn)行的修改所產(chǎn)生的成本風(fēng)險(xiǎn)。

以某款中型貨車的前圍面罩為例，開啟抗拉強(qiáng)度是面罩性能指標(biāo)中比較重要的一項(xiàng)，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(yù)先定義的性能指標(biāo)，需要應(yīng)用CAE的方法進(jìn)行分析驗(yàn)證，先根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際裝配情況對產(chǎn)品數(shù)據(jù)進(jìn)行約束定位，然后進(jìn)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(zhǔn)備工作，隨后通過計(jì)算機(jī)的模擬計(jì)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(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：

(1)措施一 如圖6所示，在受力位置增加橫向貫通的加強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(dá)到了性能目標(biāo)，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(shí)車驗(yàn)證時(shí)發(fā)現(xiàn)擋泥板在車輛發(fā)動(dòng)機(jī)怠速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)抖動(dòng)嚴(yán)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(dòng)機(jī)怠速頻率非常接近，因此發(fā)生了共振引起的抖動(dòng)，為了避開共振頻率，同時(shí)又不降低原有的產(chǎn)品強(qiáng)度，我們經(jīng)過計(jì)算分析，發(fā)現(xiàn)通過將橙色的連接支架向外側(cè)移動(dòng)，成功避開了怠速頻率，解決了抖動(dòng)問題。

4.改善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，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(jì)算，得出產(chǎn)品在受力狀態(tài)下，不同結(jié)構(gòu)位置處的拉伸和彎曲內(nèi)應(yīng)力，從而評估該位置存在開裂和破損等潛在的失效風(fēng)險(xiǎn)，從而調(diào)整和優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，消除產(chǎn)品在使用過程中的潛在質(zhì)量問題。同時(shí)，在不斷的結(jié)構(gòu)優(yōu)化過程中，逐漸吸取教訓(xùn)和總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，形成一套完整的SMC工藝制品的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范，以便為以后的產(chǎn)品設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)性的作用。

(1)案例一 如圖11所示，一保險(xiǎn)杠的踩踏區(qū)域在受力狀態(tài)下，圓角區(qū)域應(yīng)力過大，有開裂的風(fēng)險(xiǎn)，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(yīng)力集中處的圓角半徑。

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

需要注意的問題

1.產(chǎn)品在不同受力形式作用下的結(jié)果判定

用FEA工具對數(shù)據(jù)分析時(shí)，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(yīng)力值是否大于原材料的許用應(yīng)力值，但考慮到復(fù)合材料物理性能的復(fù)雜性，拉伸、彎曲和剪切強(qiáng)度都不盡相同，此時(shí)我們就需要根據(jù)受力形式來確定應(yīng)該判定哪種強(qiáng)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(yīng)力，這時(shí)就要用彎曲強(qiáng)度來做對比，而加強(qiáng)筋的頂部多承受拉伸應(yīng)力，就要用拉伸強(qiáng)度來做判定;當(dāng)產(chǎn)品的固定點(diǎn)等位置多承受重力的剪切力作用時(shí)，則要考慮用剪切強(qiáng)度來做判定。

當(dāng)不能直觀判斷產(chǎn)品的受力方式時(shí)，需要根據(jù)應(yīng)力云圖的受力趨勢進(jìn)行判斷。當(dāng)某個(gè)受力單元兩側(cè)的應(yīng)力值正負(fù)相反(見圖13a)，則為拉伸狀態(tài);如果正負(fù)相對(見圖13b)，則為壓縮狀態(tài)，此時(shí)都用拉伸強(qiáng)度來判定;當(dāng)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(shí)需要用彎曲強(qiáng)度來判定;當(dāng)受力單元的上下端的應(yīng)力值相反且趨勢一致(見圖13d)，則為剪切受力，此時(shí)需要用剪切強(qiáng)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(shí)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(huì)直接影響到產(chǎn)品最終的物理性能。首先，在制作片材時(shí)，玻璃纖維的長度、含量和不同區(qū)域的均勻性都會(huì)成為直接影響因素，并且當(dāng)產(chǎn)品在模壓時(shí)，片材的鋪放位置、流動(dòng)方向、產(chǎn)品造型結(jié)構(gòu)、模具的加熱及真空吸附等輔助措施都會(huì)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(biāo)，然后在同一產(chǎn)品上盡可能在不同位置進(jìn)行取樣，由于有時(shí)候產(chǎn)品的型面比較復(fù)雜，無法制作試樣，則會(huì)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(jié)果都是建立在某種特定的測試方法的基礎(chǔ)上，所以有時(shí)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(qiáng)度的測試方法都參照標(biāo)準(zhǔn)GB /T 1449-2005和GB /T 1447-2005，但在做國際交流時(shí)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(jì)算方式等不同都會(huì)造成結(jié)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(jié)果是正常的，但差異不應(yīng)該太大，為了進(jìn)一步確認(rèn)測試結(jié)果的準(zhǔn)確性，最直接的方法就是對成品進(jìn)行實(shí)際模擬測試，然后與FEA的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對比再進(jìn)一步修正。

結(jié)語

將有限元的計(jì)算分析理論與重型載重貨車外飾件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合，可以保證在達(dá)到產(chǎn)品理想強(qiáng)度的前提下，最大程度地實(shí)現(xiàn)汽車輕量化要求，同時(shí)利用理論與實(shí)踐相結(jié)合的基本思路，優(yōu)化設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)。但由于復(fù)合材料性能存在多樣性和復(fù)雜性，如何將有限元分析的手段正確地應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)際中，并真正起到指導(dǎo)設(shè)計(jì)與生產(chǎn)的作用，未來還有很多的課題內(nèi)容需要研究。