材料创新对前端模块降本减重的可行性分析

邱晨曦, 胡琦

(观致汽车有限公司，上海 200120)

材料创新对前端模块降本减重的可行性分析

邱晨曦, 胡琦

(观致汽车有限公司，上海 200120)

对整体注塑成型前端模块的材料创新进行了介绍，重点论证采用一种新的短玻纤增强的复合材料替代传统前端模块材料的可行性。与传统的前端模块材料相比，新材料不仅能满足零件的性能要求，而且能使车身前端质量减轻，成本降低。

材料；汽车前端模块；降本；减重

0 前言

汽车轻量化是汽车材料技术发展上的一个重要方向，尤其是在当前面临全球气候变暖以及能源危机的大形势下,汽车轻量化是降低汽车排放、提高燃油效率的最有效措施之一。研究显示：汽车的自身质量每减少10%，燃油消耗可降低6% ～8%[1-2]。

随着全球汽车制造技术向模块化、集成化、轻量化方向发展，对汽车实现模块化的主要趋势之一就是在汽车的前端上。这种汽车前端模块支架的主要优点是能较为方便地集成前端的各项功能，从而很大程度上减少汽车总装生产线上繁杂的组装过程，并减少操作人员和场地使用面积。但由于采用非轻质材料，其质量及成本上还有待进一步改善[3]。

近年来，全塑的轻质复合材料开始用于制造前端模块支架。通过整体注塑成型来制造，其强度高、耐冲击性能和耐高低温性能优异，同时成本也比较低[4]。

对一种新型的轻质复合材料进行研究，对其在整车前端模块上的各项应用性能逐项进行分析，可实现对原有材料的垂直切换，从而实现客观质量减轻和成本降低，为今后全塑前端模块支架的应用奠定一定的基础。

1 全塑前端模块材料应用的现状

随着汽车前端集成化程度的提高，前端模块上所需集成的部件越来越多，综合低成本、轻量化等多方面因素，全塑料注塑前端模块已成为前端模块未来发展的主要趋势，目前在前端模块上用量比较多的传统塑料材料是尼龙加玻纤或PP加长玻纤的复合材料[5-6]。文中介绍了一种新型轻质复合材料用于替代传统的复合材料，该材料是由短玻纤和PP混合而成的复合材料，目前已经在部分主机厂进行逐步替代验证。

该复合材料基于优化的PP基材，使其能良好地包覆玻纤，并对短玻纤长度进行控制，确保长短均一，且在造粒过程中综合考虑材料粒子大小和玻纤长度，尽量避免玻纤被切断。这使得该材料既具有尼龙及长玻纤PP材料的强度和刚度，又具有良好的耐冲击性能。更为重要的是，其玻纤长度短，且分布均匀，可确保前端模块零件性能更为均一，且密度和成本比上述两种塑料材料低，能有效降低车辆质量和减少零件成本。

以某现有车型前端模块产品为例，目前采用尼龙材料，如采用短玻纤PP材料进行替代，则可以实现零件减重约16%，成本节省超过30%。

2 某车型前端模块应用的边界条件

以某车型现有的前端模块为例讨论新材料应用的可行性。由于前端模块主要为引擎盖锁、散热器风扇和大灯支架提供安装固定点，故需要考虑采用新材料后前端模块是否满足上述周边零件边界条件要求。

表1所示为现有前端模块产品应用的关键边界条件。

前端模块与车身连接点如图1中圆点所示，在后续性能分析中，将如下连接点进行全约束以模拟实车状态。

表1 边界条件要求

3 基于变形量的刚度分析理论基础

从上文可以看出，前端模块材料的替换首先需要关注产品的刚度特性是否满足边界条件要求。一般采用有限元分析工具计算产品在施加特定载荷情况下所产生的变形量，进而通过公式计算得出产品相应的刚度。

有限元分析一般首先需要将求解域离散为有限单元。以三结点三角单元为例，每个结点有两个位移分量ui、vi，则三角单元的结点位移分量δ可表示为

δ=[u1v1u2v2u3v3]T

(1)

与之对应的结点力F可表示为

F=[U1V1U2V2U3V3]T

(2)

在每个单元上，都可以把结点力用结点位移来表示，即建立如下关系式

F=k×δ

(3)

式中：k为单元刚度矩阵。而δ则可通过变形体虚功方程得出

δT×F=∬εTσtdxdy

(4)[7]

式中：ε为单元应变，σ为单元应力，t为零件壁厚。由于εT和σ均为常量矩阵，上式转化后可得

(5)

求得δ后代入式(3)即可得出刚度k。

4 基于新材料的前端模块性能分析

4.1 大灯支架刚度分析

在图2所示箭头方向对大灯支架施加特定的拉力，通过有限元计算获取大灯支架与前端模块连接区域在拉力方向上的变形量，从而得出该区域的刚度数值。具体变形量的分析结果如图2所示。

通过有限元分析得出大灯支架与前端模块连接区域的最大变形量为1.56 mm，则其刚度值为128.2 N/mm，满足大于100 N/mm的要求。说明更换材料后前端模块仍能为大灯及支架提供有效地支撑和固定。

4.2 锁支架刚度分析

在图3所示锁支架区域，沿箭头方向对锁支架施加特定的作用力，通过有限元计算获取前端模块上锁支架区域的变形量，从而得出其刚度数值。变形量的分析结果如图3所示。

通过有限元分析得出施力点在前端模块上锁支架区域的变形量为1.02 mm，故计算得出其刚度值为1 568 N/mm，满足大于800 N/mm的要求。

4.3 锁支架在拉力下的位移分析

在图4所示锁支架区域，沿箭头方向施加特定的作用力，通过有限元计算获取前端模块上锁支架区域在施力点处的变形量。具体的分析结果如图4所示。

通过有限元分析得出施力点在前端模块上锁支架区域的变形量为2.46 mm，满足小于10 mm位移的要求。说明更换材料后前端模块仍能保证锁支架区域的刚度和较小的变形量，能为引擎盖锁提供安全有效的支撑。

4.4 风扇安装点刚度分析

4.4.1 风扇的上安装点刚度分析

在图5(a)所示前端模块风扇的上安装点处沿箭头方向施加特定的作用力，通过有限元计算获取前端模块的变形量，从而得出刚度数值。具体变形量的分析结果如图5(b)、(c)所示。

有限元分析结果显示：风扇的上安装点变形量为左侧0.41 mm，右侧0.46 mm，则其刚度值为左侧488 N/mm、右侧435 N/mm，均满足大于400 N/mm的要求。

4.4.2 风扇的下安装点刚度分析

在图6(a)所示前端模块风扇的下安装点处沿箭头方向施加一定的拉力，通过有限元计算获取前端模块的变形量，从而得出刚度数值。具体变形量的分析结果如图6(b)、(c)所示。

有限元分析结果显示：风扇的下安装点变形量为左侧0.23 mm、右侧0.16 mm，则其刚度值为左侧870 N/mm、右侧1 250 N/mm，均满足大于400 N/mm的要求。说明更换材料后前端模块仍能保证风扇安装点的刚度，确保风扇部件的有效支撑和固定。

5 结论

全塑前端模块作为汽车轻量化设计的重要发展方向之一，已被国内外很多汽车厂批量使用。一种由短玻纤和PP混合而成的轻质复合材料不但能够满足前端模块在整车上的各项性能要求，而且可以带来可观的成本降低和一定的质量减轻。其玻纤长度短，且分布均匀，可确保前端模块零件性能更为均一。更为重要的是，可以在原有采用尼龙加玻纤材料或长玻纤与PP复合材料的零件模具上直接进行切换，无须进行设计上的变更，从而大幅降低开发成本和缩减研发时间。

【1】冯美斌.汽车轻量化技术中新材料的发展及应用[J].汽车工程，2006(28)：213-220.

【2】鲁春艳.汽车轻量化技术的发展现状及其实施途径[J].上海汽车，2007(6):28-31.

【3】赵高明.前端支架的模块化发展[J].汽车与配件，2010(6):35-39.

【4】丁素芳，庹海峰.汽车全塑前端模块支架刚度的研究[J].现代制造工程，2012(4)：35-39.

【5】盛治华，安康.长玻纤增强型材料在汽车前端模块中的应用[J].上海汽车，2013(9)：55-57.

【6】李正其，龙仕彰，张鹏.长纤维增强热塑性复合材料在汽车前端模块中的应用[J].汽车工程师，2012(2):52-55.

【7】高秀琴，张小红，王欢.有限单元法原理及应用简明教程[M].北京：化学工业出版社,2008.

FeasibilityAnalysisofNewMaterialApplicationonFrontEndModulefor
CostSavingandWeightReduction

QIU Chenxi,HU Qi

(Qoros Automotive Co.,Ltd.，Shanghai 200120，China)

The application of new material on plastic injection front end module was introduced. The feasibility of using a new kind of short glass fiber reinforced composite material instead of traditional materials was analyzed. Comparing with the traditional front end module materials, new material not only can meet all performance requirements of the product, but also has advantages of weight reduction and cost saving.

Material；Automobile front-end module；Cost saving; Weight reduction

2015-01-26

邱晨曦，男，硕士，研究方向为汽车外饰工程。E-mail：qiuchenxi15@163.com。