一种高性能复合材料后背门的设计研究

周甘华 梁展 陈国庆 朱浩

摘 要：汽车轻量化能节约原材料、单位汽车能耗，增加纯电的续驶里程。复合材料密度小、强度高，兼有良好的减震性、耐蚀性等特点，在汽车轻量化设计上显示出无可比拟的优势。本文探讨一种高性能复合材料的后背门轻量化集成设计，采用功能-材料-结构一体化的设计方法，在确保零部件性能满足设计标准的前提下，使产品质量最小化。

关键词：汽车；轻量化；高性能复合材料；后背门；

1.引言

近年来世界各国越来越重视节能环保，汽车的轻量化、低成本和电动化成为研究的热点。其中轻量化和电动化是重点研究对象，轻量化是在确保性能的基础上，节能化设计各总成零部件，持续优化车型谱。据统计整车总质量每增加10%，油耗将提高 6%～8%。国内研究人员将轻量化技术应用到新能源汽车上，成为目前节省能源和降低排放的最有效的方法之一。汽车轻量化与使用材料密切相关，如采用塑料及其复合材料可减轻汽车零部件约40%的质量，可降低成本40%，因此对轻质材料的研究是汽车轻量化发展的趋势。

本文将研究三个方面内容：基于后背门功能需求，研究复合材料是物理特性，选择合适的材料；基于功能-材料-结构一体化设计平台下的复合材料后背门结构设计研究；研究高可靠性、高精度、高性能的复合材料-复合材料、复合材料-钣金的连接技术。

2. 高性能复合材料后背门的设计研究

1）研究方案：基于成熟的功能、材料、结构一体化设计平台，开发复合材料一体化后背门。根据整车性能开发分解目标，研究制定复合材料的技术指标；依据汽车行驶中振动-扭转-碰撞等多工况需求开发适用于复合材料部件之间、复合材料与金属部件之间连接技术；以CAE仿真软件为依托，结合试验验证，完成高可靠性、高精度、高性能的车用后背门总成开发，形成一套高性能复合材料后背门的评价规范。

2）研究路线：结合整车项目开发，复合材料取代金属材料在汽车结构件上应用，需重新进行结构设计，这就需要对于原金属件的性能指标及测试方法等进行详细的调研，为复合材料后背门的设计提供相应的约束；根据汽车开发流程，研究制定复合材料后背门的技术要求、性能指标以及验证方法和标准，最终实现满足产业化应用（如图1所示）。

3）研究内容：

① 材料选取研究

基于后背门在整车的功能（开启/关闭、密封、气弹簧支撑等）需求，分析复合材料的物理特性与传统钢板的差异对比（如表1），选取合适的复合材料。

从上表格可以看出钢板的弹性模量为复合材料的40倍，刚度为复合材料的2.4倍，因此需要通过结构设计达到相同刚度（如图2）。

本项目经对比分析后背门内板将采用PP-LGF40材料，整车性能分解有强度要求的位置处通过CAE辅助优化结构及添加不同长度玻纤以达到与钢板性能相当。

②基于功能-材料-结构一体化设计平台下的复合材料后背门结构设计研究。

依据整车目标，满足整车功能要求，后背门总成减重30%；根据铰链、锁体、气弹簧的工作环境及车门密封和外板抗凹特性，利用成熟的功能-材料-结构一体化设计平台建立后背门数字结构模型，基于CAE分析优化（如图4-5所示）完成满足结构强度、刚度和良好模流成型能力的后背门结构开发，适应一系列力学、尺寸、安装等方面应用需求，并考虑承载部件快速、精确安装及拆卸，确保维修方便性。

③开发高可靠性、高精度、高性能复合材料-复合材料、复合材料-钣金的连接技术。

在保证重要附件安装点位置处增加的加强板，传统钣金（如图6）冲压工艺时需通过点焊完成所有连接；而采用复合材料时（如图7）， 则可直接采用嵌件注塑与内板一体注塑集成总成，直接省掉安装、焊接的环节。

后背门内板嵌件注塑与功能钣金件螺接后形成后背门内板总成，内板总成和外板总成胶接组成后背门总成。研究复合材料材料特性，选取合适的粘结剂和工艺处理，经火焰处理提高复合材料活性，多轮验证优化后最终获得可靠的后背门总成（如图8所示）。

3.结论

高性能复合材料的应用为整车重量的降低打开了一个明确的窗口，通过该方案的实施，将完全掌握复合材料在汽车上的设计方案、开发、验证，取得显著成效：

（1）后背门总成模态可达到35Hz，刚度大于30 n/mm，满足整车性能要求；

（2）在满足整车性能要求的前提下，相比传统钣金结构，降低产品总成重量30%；

（3）复合材料的外覆盖件可循环回收利用；独特的车身结构减少了涂装工艺，极大的减小环境影响；

（4）高性能复合材料的后背门总成实现模块化供货，使生产工艺简化、缩短节拍，提高生产效率。

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