聚丙烯／玻璃纤维汽车水箱支架结构分析及其性能试验

张小敏，李劲松，李 美，梅 烨，林 健

（海南大学机电工程学院，海南海口570228）

聚丙烯／玻璃纤维汽车水箱支架结构分析及其性能试验

张小敏，李劲松，李 美，梅 烨，林 健

（海南大学机电工程学院，海南海口570228）

以某汽车配件厂生产的聚丙烯（PP）／玻璃纤维（GF）水箱支架为例，一方面利用Catia软件对其三维建模并导入到Ansys软件中模拟仿真分析得出应力云图，理论分析得出其刚度和强度符合要求；另一方面通过一系列的性能试验，例如冲击强度试验、旋转扭矩测试、耐候性试验、拔出力试验、老化试验等。结果表明，该水箱支架的性能不仅能满足使用要求而且还能实现轻量化，提高经济性能。

聚丙烯；玻璃纤维；汽车水箱支架；轻量化；性能试验

0 前言

随着国内外汽车产业的迅猛发展和汽车保有量的逐年上升，汽车在国民生活和经济中也扮演着一个日趋重要的角色。由于能源危机这个尖锐的世界难题越来越突出，节能减排已成为当今汽车问题的主旋律。一方面，政府和相关汽车研发部门大力研发推进新能源技术，通过普及混合动力汽车和纯电动汽车来促进节能减排；另一方面在技术方面着重在汽车轻量化上做文章，研发新材料和采用新工艺使得汽车自重减少。而实现汽车轻量化的途径首先是汽车结构优化设计，其次是轻量化材料的应用，最后是先进制造工艺能使得汽车构件轻量化［1］。

以汽车水箱支架为例，传统水箱支架是安装汽车水箱的托架，它起到对水箱的支撑和缓冲的作用，传统的汽车水箱支架是由传统材料（钢材、铝材、合金等）制造而成。如今轻量化技术的快速发展使得铝、镁合金在汽车上的应用量快速增长。铝、镁等合金材料因其密度相对钢铁较低、强度相对较高的特点在汽车零部件中大量应用，成为如今汽车构件材料中的主导。但是随着塑料工业的发展与进步，塑料制品也日益普及并广泛应用于汽车零部件中，大部分的汽车内饰件均选用塑料等复合材料［2］。采用PP／GF复合材料代替传统材料生产，不仅能够降低车身质量以满足车身轻量化的需要，更能够提高成品要求高精度装配的可靠性，同时可以降低产品成本，提升产品的经济性能。本文以海口某汽车公司生产的与海马BA01汽车车型匹配的汽车水箱支架为例，为验证PP／GF复合材料在汽车水箱支架中的应用，利用理论分析和试验验证相结合的研究方法，在经过计算机辅助工程（CAE）理论分析后通过试验验证PP／GF汽车水箱支架能完全替代传统金属汽车水箱支架，实现低成本和轻量化。

1 汽车水箱支架材料分析

传统材料生产水箱支架时，多应用复杂的焊接工艺，在满足产品精度的要求下，生产效率不高；而使用GF塑料生产，则应用一次注射成型工艺，不仅提高了生产效率、产品精度，还提高了产品品质。PP材料一般作为通用塑料使用，因为自身性能缺陷，在结构材料中的应用受到一定程度的局限，但是在PP材料中加入GF增强之后，这种复合材料除了能保持PP原有的优良性能之外，在强度、刚度等性能上都比PP提高很多，同时具有良好的耐热性、低温冲击性、防腐耐电弧性及低收缩率等。随着加入GF比例越高，性能提高越明显，当加入GF的质量分数为40%时性能达到最高值［3］。而GF比例的继续增加会导致复合材料共混困难，GF分散不均，生产制品时材料流动性差，最终导致材料性能变差及生产工艺困难。复合材料中GF的含量、GF的长度对整体材料的强度、刚度、耐热及耐老化等都有很大影响［4］。因此选用PP／GF复合材料作为汽车水箱支架的材料相对合适。

目前，国内汽车水箱支架主要用传统的钢材或铝合金材料制作，能够将高分子材料制作的水箱支架在汽车上应用的公司为数不多。某些汽车公司如一汽大众、比亚迪等已经开始应用高分子材料制作水箱支架，技术也将日趋成熟。

2 汽车水箱支架结构分析

2．1 三维建模

三维建模是进行CAE仿真的关键准备步骤，为了生动、直观地对汽车水箱支架进行静态力学分析和Ansys有限元分析，通过Catia软件对汽车水箱支架进行三维建模得出清晰的三维结构示意图。在满足简化原则的前提下，根据二维装配图结合实物建立如图1所示的水箱支架三维简化模型。

图1 水箱支架三维简化模型Fig．1 3Dsimplified model of the water tank support

2．2 Ansys软件分析

有限元的分析方法其实是一种求解微分方程的数值计算方法，其基本原理就是将求解对象划分为一系列的微型单元即有限大小的单元。单元之间通过节点连接，每一单元即是一整体，通过虚功原理、最小势能原理以及变分原理等分析求解［5］。

（1）导入模型

将Catia软件中建立的汽车水箱支架三维模型导入到Ansys软件中并定义材料为PP／GF，材料的弹性模量为3000MPa、泊松比为0．4、密度为1．2× 106kg／m3。

（2）网格划分

以三维四面体网格方式进行网格划分，网格单元大小为10．2mm，得到共计123578个单元，对有限元模型进行检查，无失败单元。

（3）施加约束与载荷

根据产品工作状况对模型施加约束与载荷，安装孔处施加销钉约束，在支架横梁支撑面施加类水箱自重载荷作用，最后在Z轴负方向上模拟重力加速度。

（4）求解应力云图

图2 汽车水箱支架冯氏应力云图Fig．2 Stress nephogram of the water tank support

如图2所示，通过云图显示其最大应力为2．277MPa，出现在一对纵梁处的腹板内侧安装孔附近，远小于PP／GF的屈服强度（60MPa）。最小值出现在一对横梁处，最小应力为2．1864×10－5MPa。分析云图发现出现响应应力集中的部位可能是由于在模型构建过程中，为了后续便于网格的划分，将该部位附近以及下横梁承重面部位的倒角给去除所造成的，实际值应远低于该值，理论结果显示该材料完全满足实际应用中所需要求。

3 实验部分

3．1 研究对象

PP／30%GF汽车水箱支架，海口市钧达汽车股份有限公司。

3．2 主要设备及仪器落球冲击试验机，YJ－03，东莞勇杰仪器有限公司；数字式扭力扳手，SNB50，东莞市塘厦快捷量具厂；

恒温横湿试验机，KTHG－415THS，庆声科技股份有限公司；

老化试验机，QUV－Spray，翁开尔公司。

3．3 性能测试

根据一汽海马汽车有限公司标准Q／HMAC 101．103－240—2005分别进行冲击强度试验、旋转扭矩试验、耐候性试验、拔出力试验、老化试验等。冲击强度试验后观察样品变形、开裂、发白情况，旋转扭矩试验和拔出力试验后观察螺母响应情况，耐候性试验和老化试验后观察汽车水箱支架的结构响应情况。

（1）冲击强度测试：冲击质量为3．8kg的小球从冲击高度为75mm处自由落体；

（2）旋转扭矩测试：用扭力扳手在螺母上施加11．0N·m以上的力矩，螺母无转动；

（3）短期耐热性测试：①80℃驻留时间5h，②25℃驻留时间2h，以上2个步骤为1个循环，共2个循环；

（4）长期耐热性测试：①72℃驻留时间16h，②72℃变化到25℃（变化时间5min），以上2个步骤为1个循环，共2个循环；

（5）耐低温性外观测试：－40℃驻留时间4h；

（6）耐低温性冲击测试：－30℃驻留时间4h并用1．5kg落球从30cm高度处冲击样品表面；

（7）耐热冲击性测试：①－30℃驻留时间2h，②25℃驻留时间0．5h，③80℃驻留时间2h，④25℃驻留时间0．5h，以上4个步骤为1个循环，共5次循环；

（8）老化测试：在光源条件为UVA－340，辐照度条件为0．89W／（m2·nm），黑板温度为（60±3）℃下辐照暴露8h和黑板温度为（50±3）℃下辐照冷凝暴露4 h，测试时间共300h；

（9）拔出力测试：用240N的力反面压螺母（也同时等于正面的拔出力），螺母不松脱，无异常；

（10）耐化学性测试：用沾有汽车座位清洁剂的棉花，在试样表面轻轻摩擦8次，放置1h。

表1 试验测试结果Tab．1 Result of the test

3．4 测试结果

试验结果列于表1。选用以PP／30%GF为主要材料的汽车水箱支架，一方面在保证刚度与强度要求的前提下提升汽车水箱支架的冲击韧性，另一方面在考虑其性能的同时顾忌其注塑工艺的高效性，即材料的共混性和流动性，最终选择GF含量为30%，低于最优配比（PP／40%GF）进行制造，通过注塑机一次注塑而成。通过落球冲击试验机测试其冲击强度，和企业标准对照显示水箱支架能完全满足实际工况下的强度需求。旋转扭矩试验中根据试验标准，水箱支架各点能承受12．5N·m的扭矩，满足企业标准和实际需求。拔出力试验中各点施加250N的力时，螺母未松脱，显示其拉伸强度满足企业标准和实际需求。一系列的耐候性、腐蚀性试验显示水箱支架老化性和抗腐蚀性满足企业标准。

4 结论

（1）Ansys软件仿真试验结果显示最大应力为2．277MPa，出现在一对纵梁处的腹板内侧安装孔附近，最小值出现在一对横梁处，最小应力为2．1864×10－5MPa，均远小于PP／30%GF材料的屈服强度；

（2）PP／30%GF复合材料应用于汽车水箱支架中不仅能满足刚度和强度要求还能满足一般试验要求和实际需求。

［1］范子杰，桂良进，苏瑞意 ．汽车轻量化技术的研究与进展［J］．汽车安全与节能学报，2014，（1）：1－16．Fan Zijie，Gui Liangjin，Su Ruiyi．The Research and De－velopment of Auto Lightweight Technology［J］．Journal of Auto Safety and Energy，2014，（1）：1－16．

［2］张荫楠 ．汽车轻量化之路：复合材料的机遇与挑战［J］．纺织导报，2016，（5）：40，42－47．Zhang Yinnan．Channel of Lightweight Automobile：Opportunities and Challenges of Composites［J］．Textile Review，2016，（5）：40，42－47．

［3］曾 彪，刘玉飞，王 宁，等．玻璃纤维增强聚丙烯复合材料力学性能的研究进展［J］．上海塑料，2015，（2）：11－16．Zeng Biao，Liu Yufei，Wang Ning，et al．Advances in Mechanical Properties of Glass Fiber Reinforced Polypropylene Composites［J］．Shanghai Plastics，2015，（2）：11－16．

［4］李敬媛，李又兵，史 文，等 ．聚丙烯／玻璃纤维复合材料增强与增韧改性研究［J］．中国塑料，2013，27（12）：47－51．Li Jingyuan，Li Youbing，Shi Wen，et al．Reinforcement and Toughness of PP／GF Composites［J］．China Plastics，2013，27（12）：47－51．

［5］刘 浩．ANSYS 15．0有限元分析从入门到精通［M］．北京：机械工业出版社，2014：73－82．

国家塑料制品质量监督检验中心（北京）

国家塑料制品质量监督检验中心（北京），前身是1979年组建的轻工业部科学研究院塑化室检测室，1983年由联合国工发组织援建，同年由原轻工业部批准为“全国塑料制品标准化检测中心”，1990年获得国家技术监督局的计量认证和审查认可，被授权为“国家塑料制品质量监督检验中心（北京）”。

中心的资质：

（1）由国家质量监督检验检疫总局依法授权，具有法定权威性和第三方公正性；

（2）中心具有中国合格评定国家认可委的实验室认可证书、中国国家认证认可监督管理委员会的资质认定授权证书和计量认证证书、欧洲DIN－CERTCO的实验室认可证书；

（3）中心是国际标准化组织ISO／TC138和ISO／TC61／SC10，SC11的技术对口单位，承担着全国塑料制品标准化技术委员会秘书处的工作，与国内外权威的标准化及检验机构有着广泛的交往。

中心提供的服务：

（1）国家塑料产品质量监督抽查检验、产品质量争议仲裁检验；

（2）各职能部门或地方政府的委托检验、社会各界的委托检验和测试；

（3）塑料产品生产许可证发放的产品质量考核检验和日常监督检验；

（4）新材料和新产品的鉴定检验；

（5）承担或参与塑料产品的国家标准、行业标准的制、修订工作。

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Structure Analysis and Performance Test of Auto Water Tank Supports Based on Polypropylene／Glass Fiber Composites

ZHANG Xiaomin，LI Jinsong，LI Mei，MEI Ye，LIN Jian
（College of Mechanical Engineering，Hainan University，Haikou 570228，China）

This paper reported a case study on structure analysis and performance test for a water tank support based on polypropylene／glass fiber composites．A 3Dmodel was first established with Catia software and then a simulation analysis was carried out with Ansys software to obtain the stress cloud．Rigidity and strength obtained from this model were in accordance with the requirements of theoretical analysis．On the other hand，a series of performance measurements were performed，which included impact，rotation torque，weathering，pull－out and aging tests．The results indicated that not only the performance of auto water tank supports met the requirements，but it also achieved a lightweight nature for a cost－effective demand．

polypropylene；glass fiber；auto tank support；lightweight；performance measurement

TQ325．1＋4

B

1001－9278（2017）07－0095－04

10．19491／j．issn．1001－9278．2017．07．016

2017－02－20

海南省自然科学基金（20155212）；海南大学2017年度教育教学改革研究课题（hdjy1711）

联系人，1207449173＠qq．com