基于有限元分析的塑料尾门扭转刚度仿真研究

（宁波华翔汽车技术有限公司，宁波 315033）

0 引言

随着能源危机和环境污染加剧，汽车轻量化逐步成为汽车工业节能减排的重要途径之一。研究表明约75%的油耗与整车质量相关，降低汽车质量就可以有效的降低油耗及排放。有研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%[1]，CO2排放可以降低10g/km[2]。

汽车尾门作为车身闭合件系统的重要组成部分，承担着开启关闭及封闭的功能。传统尾门主要采用钢材，由于钢材具有高密度使得整车重量增加。以塑代钢技术是车身轻量化的重要手段。塑料尾门可降低尾门重量并改善内部阻尼，减重比可达到20%～30%[3,4]。

本文以某车身塑料尾门为研究对象，对自由模态、扭曲刚度、弯曲刚度等工况进行分析，针对扭曲刚度进行不同方向的结构优化，对其中改善结果最好的方案进行进一步的仿真研究。

1 塑料尾门结构及材料

尾门系统通常包括尾门内板、尾门外板、加强板、铰链、限位器、门锁、气弹簧、外手柄和密封条等，其布置设计的好坏与尾门的模态、刚度和抗凹性有直接的关系。对于结构分析来说，一般包括内外板、加强件、连接件等。塑料尾门一般内外板采用塑料件，用胶压合进行连接。常用的外板材料采用PP+EPDMT20，PPO+PA或SMC，内板采用SMC或PP-LGF[5]。图1为不同材料性能对比分析，综合对比，PP材料（外板PP+EPDM-T20，内板为PP-LGF）具有密度低、成本低、生产效率高且强度满足产品要求的优点，目前已成为塑料尾门材料的发展趋势[6,7]。

图1 内外板性能对比

2 塑料尾门性能分析

2.1 有限元模型建立

将塑料尾门3D模型简化后导入Hypermesh软件中，简化模型包含外板、内板、加强件及胶，内板与外板采用胶粘接连接，加强板与内板采用螺栓连接，模型结构如图2所示。

尾门外板材料采用PP+EDPM-20TD，厚度1.5mm；内板为PP+40LFG，厚度2.5mm；加强板采用钢材，厚度2mm。各材料参数如表1所示。

图2 尾门模型

表1 尾门部件材料参数

2.2 尾门性能分析

尾门结构有限元分析是目前尾门结构设计必要的手段，也是预测和分析尾门性能的重要方法[8]。尾门的结构分析主要是模拟分析尾门在使用状态的下受力情况如尾门的下垂、开启、关闭及人为的按压的等问题，需要对尾门的横向、下垂、弯曲和扭转及安装点等刚度进行分析。另外考虑到尾门与整车的共振问题，还需要对尾门模态进行分析[9]。各分析结果如表2所示。

从表2的分析结果中可以看出尾门横向刚度、下垂刚度、弯曲刚度及锁扣安装点刚度均达到了目标要求；一阶扭转、一阶弯曲、铰链安装点刚度虽未达到要求但与目标值相差不大，扭转刚度与目标值相差较大。其原因主要是由于PP+LFG的弹性模量仅为钣金的1/25，在增加料厚的同时需要增大腔体[4]。

3 扭转刚度优化分析

3.1 尾门结构优化

针对扭转刚度与目标值偏差较大的问题，需要对尾门结构进行优化。图3为尾门扭转工况约束及加载情况，图4为扭转工况变形云图。

图3 扭转工况约束及加载

表2 尾门各工况分析结果

图4 扭转变形云图

根据变形云图可知，扭转变形主要是在铰链与加载点之间的区域。针对扭转变形结果给出几种改进方案如图5所示。

由于外板为造型面，一般情况下不建议更改，所以改进方向主要从内板和加强件上下手。由于该尾门属于以塑代钢方案，其钢板尾门车型已经量产，受原始结构空间限制无法通过增大空腔来提高扭转刚度。

方案1为内板加筋方案，筋壁厚3mm；方案2为内板局部增厚方案，局部区域增厚至4mm；方案3为腔内增加铸铝加强件方案，厚度4mm；方案4为内腔体玻璃周围增加2mm环形加强件，材料与内板一致；方案5为内外板之间增加2mm厚的中间夹层板，材料与内板一致。

3.2 性能分析

原始方案及5种改进方案分析对比结果如表3所示。

表3 各改进方案结果对比

从表3中得出方案1质量增加的最少，但刚度提升的也最小，方案3刚度增加的最多，但质量增加的也最多。这5种结构优化方案除方案3外，其余结果与目标值160Nm/deg还有一定的差距，需要进一步的优化。

3.3 深入仿真优化

表3的结果表明，加筋方案和增加环形加强件方案对改善扭转刚度效果不明显，而内板局部增厚方案和增加中间夹层板方案由于受空间和工艺的限制厚度已经无法增加。

方案3的主要缺点在于质量增加的较多，而且其中有一部分结构与铰链加强板重合，造成材料的浪费，进一步优化中对尾门原有加强板结构也进行了优化。

图6为几种不同结构的深入改进方案，图中黄色的部分为原有尾门加强板。

图6 几种深入改进方案

方案6为在铰链加强板与气撑杆加强板之间增加L型加强件；方案7为方案6基础上合并铰链加强板与L行加强件；方案8为方案7基础上合并气撑杆加强板。深入改进方案中L型加强件均为铸铝材料，其中方案6的加强件整体厚度为4mm，方案7和方案8加强件厚度为6mm。

各深入方案的分析结果如表4所示，方案6质量增加最多为2.8kg，刚度提升42.9%；方案7与方案8刚度提升分别为46.1%和46.3%，质量增加分别为1.1kg和1.4kg。3个方案扭转刚度均以达到目标要求。

从表可以看出方案6的增加的质量要远远大于方案7和方案8，其原因为原有的铰链加强板为钢材质量较大，而方案7和8是采用L型加强件结构集成了原来的铰链加强板的功能，材料上采用了更轻的铸铝。另外，方案7与方案8其两者的刚度提升效率相差不大，这说明气撑杆加强板周围结构的对尾门扭转刚度影响较小，而铰链加强板周围结构对扭转刚度影响较大。

表4 各深入改进方案结果对比

4 尾门样件扭转刚度验证

根据仿真分析结果对方案7进行样件制作，改进后的塑料尾门质量约为14.1kg，原钢板尾门质量为20.5kg，减重比达到31.2%。

使用尾门专用试验工装上对样件安装点刚度、横向刚度、扭转刚度、弯曲刚度等进行试验。试验示意图如图7所示。

图7 尾门刚度测试示意图

尾门扭转刚度仿真与试验结果对比如表5所示，试验值与计算值误差为8.2%，在可接受范围内（一般要求试验值与分析值误差在10%内）。

表5 扭转刚度分析与仿真结果对比

5 结语

随着汽车轻量化的推进，塑料尾门的设计与优化在其中的作用也越来越明显。在用塑料代替钢板结构的时候由于两种材料与工艺的差异导致塑料尾门在一些工况上相对于传统尾门会有所减弱。本文以扭转工况为例，利用有限元技术找出塑料尾门的薄弱区域，对比不同的改进方案，找出其中效率与成本最优的方案，然后对比试验结果与理论分析，验证其可行性。基于有限元的尾门扭转刚度研究方法可以有效的指导设计人员进行设计研发。