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《遼寧科技大學(xué)學(xué)報(bào)》2017年第4期

摘要：文章依據(jù)某車(chē)型鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程，提出了鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板設(shè)計(jì)流程及思路，總結(jié)了鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法及要點(diǎn)，以保證鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板開(kāi)發(fā)的準(zhǔn)確性。

關(guān)鍵詞：內(nèi)把手；設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；試驗(yàn)驗(yàn)證

引言

隨著對(duì)汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放控制要求的日益提高，通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，尋找替代材料以及開(kāi)發(fā)新的制造工藝等方式進(jìn)行汽車(chē)輕量化日益廣泛的應(yīng)用在目前和未來(lái)的汽車(chē)上。車(chē)門(mén)作為汽車(chē)的重要總成之一，國(guó)內(nèi)外對(duì)其進(jìn)行了大量輕量化嘗試，目前，最有代表性的是鋁合金車(chē)門(mén)內(nèi)板，已經(jīng)應(yīng)用在行業(yè)內(nèi)一些高端汽車(chē)品牌，比如奔馳，寶馬，奧迪等。通過(guò)采用鋁合金車(chē)門(mén)內(nèi)板，能夠明顯降低車(chē)門(mén)重量25%左右，達(dá)到減輕整車(chē)重量，降低油耗和廢氣排放的目的。采用鋁合金沖壓工藝的車(chē)門(mén)內(nèi)板通常采用分塊設(shè)計(jì)，將內(nèi)板分成若干小塊，分別成型后，再采用拼接工藝，如鉚接和電弧焊將各分塊連接成一個(gè)整體內(nèi)板，采用該方法可以減小模具的噸位，但由此帶來(lái)了車(chē)門(mén)內(nèi)板需要復(fù)雜的連接工藝；用鋁合金壓鑄工藝可以解決需要將車(chē)門(mén)內(nèi)板分成若干小塊的缺點(diǎn)，但由于鋁合金流動(dòng)性差，采用整體式壓鑄不僅對(duì)模具的噸位提出了較高的要求，對(duì)于保證鑄件的質(zhì)量也有較大的難度。鎂合金作為一種新型高性能結(jié)構(gòu)材料，具有密度小、比強(qiáng)度和比剛度高、阻尼性能良好、減震性強(qiáng)、電磁屏蔽和抗輻射能力突出，易加工回收等諸多特點(diǎn)。相較于鋁合金，鎂合金具有更輕的可比質(zhì)量（密度為1.74g/cm3，鋁合金密度為2.7g/cm3），更好比強(qiáng)度（強(qiáng)度/密度）和比剛度（剛度/密度）。為了實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)輕量化的要求，也為了在保證車(chē)門(mén)性能的基礎(chǔ)上，簡(jiǎn)化車(chē)門(mén)內(nèi)板的制造及裝配工藝，對(duì)某車(chē)型的車(chē)門(mén)內(nèi)板進(jìn)行鎂合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)替代傳統(tǒng)鋼板設(shè)計(jì)。

1設(shè)計(jì)過(guò)程

1.1設(shè)計(jì)步驟

鎂合金內(nèi)板的設(shè)計(jì)步驟包含幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能設(shè)計(jì)，各步驟應(yīng)該遵從以下基本準(zhǔn)則：1）幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)在整個(gè)車(chē)門(mén)總成的設(shè)計(jì)中考慮，對(duì)車(chē)門(mén)總成的零部件進(jìn)行布置設(shè)計(jì)，根據(jù)車(chē)門(mén)布置、搭接關(guān)系進(jìn)行車(chē)門(mén)內(nèi)板的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。2）車(chē)門(mén)內(nèi)板采用輕質(zhì)鎂合金材料，且采用整體式結(jié)構(gòu)和壓鑄工藝，集成了鉸鏈加強(qiáng)板、內(nèi)板加強(qiáng)板、鎖體加強(qiáng)板等功能；幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)車(chē)門(mén)內(nèi)板不同區(qū)域的功能和性能要求設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的厚度。3）性能設(shè)計(jì)是指將鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板裝配到車(chē)門(mén)總成中進(jìn)行性能驗(yàn)證，包括車(chē)門(mén)的NVH、剛度、強(qiáng)度、碰撞等性能。4）性能設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)車(chē)門(mén)的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以在保證車(chē)門(mén)性能的基礎(chǔ)上，獲得優(yōu)化的幾何結(jié)構(gòu)。鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的設(shè)計(jì)劃分為兩個(gè)階段：PhaseI和PhaseII,PhaseI包含步驟1～3，PhaseII包含步驟4～9，詳細(xì)內(nèi)容見(jiàn)以下闡述。

步驟1：確定車(chē)門(mén)總成的性能設(shè)計(jì)目標(biāo)，為鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的設(shè)計(jì)做準(zhǔn)備。通常，確定車(chē)門(mén)的性能目標(biāo)可以從參考車(chē)型的車(chē)門(mén)的仿真分析和試驗(yàn)中獲得，也可以查找經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)庫(kù)和企業(yè)規(guī)范。主要性能包括參考車(chē)車(chē)門(mén)的模態(tài)、剛度、擠壓強(qiáng)度、碰撞侵入量和侵入速度等指標(biāo)。

步驟2：根據(jù)步驟1對(duì)車(chē)門(mén)的性能要求，確定鎂合金內(nèi)板的材料牌號(hào)。目前，應(yīng)用于汽車(chē)上的壓鑄鎂合金主要包含AZ和AM系列，AZ系列適用于高強(qiáng)度，低塑性部件，AM強(qiáng)度較AZ系列強(qiáng)度低些，但適用于對(duì)塑性要求較高的部件，特別是碰撞吸能件，優(yōu)先推薦采用AM系列。

步驟3：對(duì)內(nèi)板的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要采用建立車(chē)門(mén)總成的有限元模型，進(jìn)行仿真分析的方法完成，包含以下過(guò)程：1）根據(jù)車(chē)門(mén)總成的總布置等設(shè)計(jì)要求和內(nèi)板的裝配設(shè)計(jì)要求，采用CATIA軟件建立鎂合金內(nèi)板的3D幾何表面模型，模型反映結(jié)構(gòu)的基本特征，如裝配面，安裝孔；不需要體現(xiàn)工藝孔、加強(qiáng)筋等改善特征。2）采用CAE前處理軟件Hypermesh對(duì)包含鎂合金內(nèi)板的車(chē)門(mén)總成進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并基于optistruct求解器建立車(chē)門(mén)總成的有限元模型。3）建立車(chē)門(mén)總成有限元模型的模態(tài)剛度分析工況，并將步驟1確定的車(chē)門(mén)模態(tài)、剛度性能作為有限元模型的最小目標(biāo)值，為了保證優(yōu)化效果，可以適當(dāng)放大目標(biāo)值為初始值的1.2倍左右。為了保證計(jì)算速度，剛度分析工況不考慮幾何非線性和材料非線性，采用線性靜態(tài)計(jì)算方法。4）確定車(chē)門(mén)內(nèi)板為需要設(shè)計(jì)拓?fù)涞牟牧蠀^(qū)域，采用變密度法對(duì)車(chē)門(mén)總成進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算，經(jīng)過(guò)若干次迭代計(jì)算后，獲得內(nèi)板各區(qū)域的材料分布。5）根據(jù)獲得的鎂合金內(nèi)板的拓?fù)洳牧戏植迹?nèi)板的CATIA表面模型，并根據(jù)內(nèi)板各部分的厚度分布對(duì)內(nèi)板各部分增厚，建立內(nèi)板的3D實(shí)體模型。

步驟4：用CAE前處理軟件Hypermesh對(duì)步驟3完成拓?fù)湓O(shè)計(jì)的鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板劃分網(wǎng)格，基于ABQUS/stand求解器建立車(chē)門(mén)總成的模態(tài)和剛度有限元模型，剛度有限元模型考慮零件間的接觸非線性、材料非線性和幾何非線性，基于LS-DYNA求解器建立車(chē)門(mén)的擠壓強(qiáng)度有限元模型。對(duì)建立的有限元模型進(jìn)行計(jì)算，將計(jì)算結(jié)果與目標(biāo)值比較，發(fā)現(xiàn)不滿(mǎn)足目標(biāo)的計(jì)算工況。

步驟5：參照步驟3中子步b),對(duì)步驟4中不滿(mǎn)足目標(biāo)的工況建立形貌/尺寸/形狀優(yōu)化的有限元模型，采用optistruct進(jìn)行優(yōu)化求解，獲得優(yōu)化的局部加強(qiáng)結(jié)構(gòu)。

步驟6：參考步驟4和5的結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果，采用CATIA軟件對(duì)鎂合金內(nèi)板幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，包括局部結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)設(shè)計(jì)。

步驟7：與步驟6同步，步驟7進(jìn)行鎂合金內(nèi)板的壓鑄工藝的設(shè)計(jì)。主要包括：1）根據(jù)壓鑄成型的材料流動(dòng)和溫度分布，進(jìn)行車(chē)門(mén)內(nèi)板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，保證壓鑄成型材料流動(dòng)均勻、順暢，降低材料流動(dòng)的阻力。2）壓鑄件除孔及邊緣外，都應(yīng)有圓角，以保證金屬填充時(shí)流動(dòng)平穩(wěn)，氣體容易排出，并可避免銳角而產(chǎn)生的壓鑄裂紋。3）零件盡可能多的分布加強(qiáng)筋。加強(qiáng)筋的設(shè)置可增加零件的強(qiáng)度和剛度，同時(shí)改善壓鑄的工藝性。4）加強(qiáng)筋等特征的布置要滿(mǎn)足零件脫模的要求，避免無(wú)法脫模。5）結(jié)構(gòu)無(wú)法通過(guò)模具壓鑄產(chǎn)生的特征，應(yīng)考慮后續(xù)增加機(jī)加工工序完成。

步驟8：與步驟6和7同步，步驟8進(jìn)行鎂合金內(nèi)板的連接方案設(shè)計(jì)。鎂合金熔點(diǎn)較低，無(wú)法與周?chē)撝屏慵g采用焊接，采用螺栓與周邊鋼制零件連接。鎂合金內(nèi)板與周邊鋼制鈑金件直接接觸裝配時(shí)會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，所以連接位置應(yīng)當(dāng)涂抹防電化學(xué)腐蝕膠。

1.2材料選擇

材料選擇需要滿(mǎn)足的基本性能要求：抗拉強(qiáng)度≥220MPa，延伸率≥10%。壓鑄鎂合金通常有AM及AZ系列，AZ系列適用于高強(qiáng)度，低塑性部件；AM強(qiáng)度較AZ系列強(qiáng)度稍低，但適用于對(duì)塑性要求較高的部件，特別是碰撞吸能件，推薦采用AM系列。

1.3拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)湓O(shè)計(jì)要點(diǎn)：拓?fù)湓O(shè)計(jì)區(qū)域的范圍選擇背板部分，重點(diǎn)考察中間區(qū)域的厚度分布和減重孔分布；拓?fù)湓O(shè)計(jì)的約束主要包含模態(tài)、窗框剛度、扭轉(zhuǎn)剛度（上扭/下扭）、腰線剛度、下垂剛度等；拓?fù)湓O(shè)計(jì)的約束值參考基礎(chǔ)車(chē)和設(shè)計(jì)方案值，為保證優(yōu)化效果，通常設(shè)為參考值的80%～100%，根據(jù)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整腰線剛度、上扭剛度、下垂剛度及下扭剛度等。

1.4厚度設(shè)定

①鎂合金厚度約為同等剛度的鈑金厚度3倍；

②鎂合金壓鑄件的壁厚為2~4mm為宜，最薄不能低于1.5mm，最厚不能高于6mm。材料過(guò)薄時(shí)壓鑄成型困難；過(guò)厚易產(chǎn)生縮癟、裂紋、氣泡等缺陷，影響鑄件的強(qiáng)度。

③分區(qū)域不同厚度：包邊區(qū)2mm(包邊空間不足時(shí)可按1.5mm設(shè)計(jì)）；線束安裝區(qū)1.5mm；加強(qiáng)筋3mm；鎖、鉸鏈、防撞梁連接區(qū)4mm。

2仿真分析及優(yōu)化

鎂合金內(nèi)板數(shù)模需做如下表所示的性能分析項(xiàng)目，需確保分析合格方能凍結(jié)數(shù)據(jù)。

3結(jié)論

輕量化設(shè)計(jì)工作任重道遠(yuǎn)，而鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的應(yīng)用研究還需要更進(jìn)一步方能大批量應(yīng)用。本文分析介紹了某車(chē)型的鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板，詳細(xì)闡述了鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及步驟，并詳細(xì)介紹了鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)。正確的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)方法和充分的試驗(yàn)驗(yàn)證，對(duì)于提高鎂合金車(chē)門(mén)內(nèi)板的設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能要求有著重要作用，也是確保整車(chē)開(kāi)發(fā)進(jìn)度和開(kāi)發(fā)質(zhì)量不可缺少的一部分。

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作者：班正逸；金云光；唐淳 單位：安徽江淮汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司技術(shù)中心