聂根辉,谢新生,欧阳春平

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

PP-LGF40材料发动机罩结构设计与性能分析

聂根辉,谢新生,欧阳春平

(上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007)

为某车型发动机罩选用PP-LGF40材料替代传统的钣金材料，可实现减质量21%的目标。根据PP-LGF40材料的成型工艺，提出发动机罩外板和内板的结构设计方案，简化了零件结构和制造工艺。通过CAE仿真分析PP-LGF40材料发动机罩的扭转刚度、侧向刚度、承重刚度、锁钩刚度和一阶模态等各项性能指标，结果表明：PP-LGF40材料发动机罩的各项性能均能满足目标值，验证了PP-LGF40作为发动机罩轻量化材料方案的可行性。

发动机罩；PP-LGF40材料；结构设计；性能分析；轻量化

0 引言

由于能源与环境的压力，轻量化是汽车工业发展的主要方向，减轻汽车自身质量是降低油耗、减少排放的有效措施之一。世界铝业协会报告指出：汽车质量每减小10%，可降低6%～8%的油耗，减少13%的CO2排放[1-2]。汽车车身质量占整车质量的30%～40%，因此车身的轻量化是汽车轻量化的主体内容[3]。实现车身轻量化主要有两个途径：(1)设计更合理的车身结构，对车身零部件的结构和工艺进行优化，达到减轻汽车质量的目的；(2)大量使用轻量化材料。通过使用轻质、高强度的材料实现车身大幅减质量是最有效最直接的手段[4]。

目前常用的轻量化材料主要有高强钢、轻质合金、复合材料等。高强钢与传统的低碳钢相比，厚度可减薄10%，车身质量减少20%～30%[5-6]，但高强钢多用于车身结构件，不应用于发动机罩等车门覆盖件。轻质合金中铝合金材料的成型和制造工艺也较为成熟，可应用于车门覆盖件。相比于传统低碳钢板，采用铝合金板可减少质量30%～40%，但铝合金较高的生产成本是制约其广泛应用的主要因素[7-8]。复合材料作为轻量化材料越来越多地应用于车门覆盖件，不仅可以减轻车身质量，还能降低生产成本。

PP材料作为复合材料多应用于汽车前后保险杠、车门内饰板等零件，在车门覆盖件上应用较少。综合材料性能和生产成本的因素，为某车型选用了PP-LGF40作为轻量化材料应用于发动机罩，并且针对发动机罩的受力特点，研究了PP-LGF40材料发动机罩的结构方案和机械性能。

1 PP-LGF40材料发动机罩总体设计方案

1.1 传统发动机罩结构

传统的发动机罩采用低碳钢板材为材料，发动机罩主要由发动机罩外板、发动机罩内板、铰链加强板和锁加强板组成。发动机罩内、外板和加强板通过电阻点焊、涂胶、包边的方式连接结合成发动机罩总成，发动机罩总成再通过铰链与车身连接，如图1所示。

图1 传统发动机罩结构

1.2 PP-LGF40材料发动机罩结构

PP-LGF40材料发动机罩总成由发动机罩外板和内板组成，均采用料厚3.0 mm材料，内、外板通过材料熔融和紧固件方式连接。PP-LGF40材料的发动机罩内、外板之间不需要铰链加强板、锁加强板等结构件，发动机罩总成也不需要铰链与车身连接，而是通过其自身结构实现与车身的连接，发动机罩总成形成一个独立的可拆卸结构，不需要发动机罩撑杆支撑，如图2和图3所示。

图2 PP-LGF40材料发动机罩外板和内板

图3 PP-LGF40材料发动机罩结构及连接方式

与传统发动机罩相比，PP-LGF40材料发动机罩大大简化了零件结构和制造工艺。

1.3 PP-LGF40材料发动机罩轻量化效果

通过对比PP-LGF40材料发动机罩与传统的低碳钢发动机罩，PP-LGF40材料发动机罩由于在材料及结构上的简化，可减质量1.08 kg，减质量比例达21%，如表1所示。

表1 PP材料发动机罩与传统的低碳钢发动机罩重量对比

2 PP-LGF40材料发动机罩的机械性能分析

采用UG软件建立发动机罩总成零件三维CAD模型，然后通过数据交换将零件模型导入有限元分析软件HyperMesh中，对发动机罩总成的扭转刚度、侧向刚度、承重刚度、锁钩刚度、一阶模态进行CAE分析。

2.1 扭转刚度分析

约束方式：单点约束(Single-point Constraint,SPC)车身侧铰链6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放开铰链间的旋转自由度；约束右侧缓冲块Z向平移自由度，SPC=3。

图4 扭转刚度约束条件和加载工况

加载条件：左侧缓冲块对应发动机罩外板50 mm×50 mm区域加载-Z向分布力F=100 N，如图4所示。

在常温23 ℃条件下，发动机罩总成的扭转刚度为位移15.9 mm，如图5所示。

图5 扭转刚度分析结果

2.2 侧向刚度分析

约束方式：单点约束车身侧铰链6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放开铰链间的旋转自由度；工况加载点约束Z向平移自由度，SPC=3。

加载条件：前部约束点加载Y向力F=180 N，如图6所示。

图6 侧向刚度约束条件和加载工况

在常温23 ℃条件下，发动机罩总成的侧向刚度为位移5.2 mm，如图7所示。

图7 侧向刚度分析结果

2.3 侧向刚度分析

约束方式：约束铰链6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放开铰链间的旋转自由度；密封面每隔100 mm约束6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6；约束两个缓冲块6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6。

加载条件：在发动机罩外板前部、后部及侧部200 mm×400 mm的区域分别加载-Z向分布力535 N，如图8所示。

图8 侧向刚度约束条件和加载工况

在常温23 ℃条件下，发动机罩总成在前部、后部、侧部区域的承重刚度分别为位移1.5、6.9、3.8 mm，如图9—11所示。

图9 前部承重刚度分析结果

图10 后部承重刚度分析结果

图11 侧部承重刚度分析结果

2.4 锁钩刚度分析

约束方式：约束车身侧铰链6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放开铰链间的旋转自由度；约束两个缓冲块Z向平移自由度，SPC=3。

加载条件：锁扣加载-Z向力F=196.2 N，如图12所示。

图12 锁钩刚度约束条件和加载工况

在常温23 ℃条件下，发动机罩总成的锁钩刚度为位移2.3 mm，如图13所示。

图13 锁钩刚度分析结果

2.5 一阶模态分析

约束方式：约束铰链6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6，放开铰链间的旋转自由度；约束锁钩Y向和Z向的平移自由度，SPC=2、3；密封面每隔100 mm约束6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6；约束两个缓冲块6个自由度，SPC=1、2、3、4、5、6。

加载条件：计算至100 Hz，如图14所示。

图14 一阶模态约束条件和加载工况

在常温23 ℃条件下，发动机罩总成的一阶模态为63.1 Hz，如图15所示。

图15 一阶模态分析结果

综合以上分析结果，通过对比各分析项的目标值，发动机罩总成的扭转刚度、侧向刚度、承重刚度、锁钩刚度、一阶模态均满足目标设定要求，如表2所示。分析结果也验证了PP-LGF40材料方案的可行性。

表2 PP材料发动机罩总成各机械性能CAE分析结果

3 总结

(1)相对其他常用的轻量化材料，提出选用PP-LGF40作为替代传统低碳钢板材发动机罩的轻量化材料。

(2)提出PP-LGF40材料发动机罩总成的结构设计方案，简化了零件结构和制造工艺，相比传统发动机罩，实现了减质量21%的目标。

(3)提出PP-LGF40材料发动机罩总成的CAE分析方法和机械性能分析目标值，并且通过分析对比目标值，验证了PP-LGF40作为发动机罩轻量化材料方案的可行性，同时也为车身其他零部件的轻量化提供了参考数据和方案。

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Structure Design and Performance Analysis of PP-LGF40 Engine Hood

NIE Genhui, XIE Xinsheng, OUYANG Chunping

(SAIC-GM-Wuling Automobile Co., Ltd., Liuzhou Guangxi 545007,China)

The traditional sheet metal was replaced by PP-LGF40 on the engine hood of an automobile, which could reduce the weight as a rate of 21%. Depending on the molding process of PP-LGF40, the structure design solutions of the hood outer and inner panel were put forward, then the part structure and manufacturing process were simplified. The torsion stiffness, lateral stiffness, load-bearing stiffness, latch stiffness and the first-order modal of PP-LGF40 engine hood were analyzed by using CAE simulation. The results show that performance of PP-LGF40 engine hood can meet the target values. It verifies the feasibility that PP-LGF40 is taken as a lightweight material of the engine hood.

Engine hood; PP-LGF40 material; Structure design; Performance analysis; Lightweight

2016-12-17

聂根辉(1985—)，男，硕士，工程师，主要从事汽车前后盖设计与研究工作。E-mail：genhuinie@126.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.04.003

U463.83

B

1674-1986(2017)04-011-05