VARI成型碳纤维引擎盖刚度有限元分析

李恒

VARI成型碳纤维引擎盖刚度有限元分析

李恒

（南通职业大学，江苏 南通 226007）

碳纤维轻量化材料是实现汽车轻量化的重要手段，在汽车领域具有广泛应用前景，文章对VARI成型工艺碳纤维引擎盖进行研究，根据VARI成型工艺特点及引擎盖力学性能设计了引擎盖的工艺流程和铺层方式，在有限元软件中建立了VARI成型碳纤维引擎盖有限元模型，并对VARI成型引擎盖的刚度进行有限元计算分析。结果表明，VARI成型碳纤维引擎盖的安装变形、边缘变形、扭转刚度、冲击变形均符合设计要求，采用VARI成型工艺可有效降低引擎盖重量，实现车身轻量化。

VARI；碳纤维；引擎盖；刚度；有限元

前言

汽车工业的发展带来了严重的环境污染、能源危机等问题，节能减排已成为全球汽车工业急需要解决的问题，轻量化是实现汽车节能减排最有效的措施之一，汽车轻量化可通过采用轻量化材料来实现。碳纤维复合材料具有密度低、比强度高、比模量高、比吸能好、抗疲劳、耐腐蚀等优点，故已成了汽车轻量化研究的重要方向[1-2]。引擎盖是汽车车身的重要组成部分，具有保护发动机、隔离噪声等功能，设计碳纤维引擎盖、实现引擎盖轻量化，可有效降低车身重量。

叶辉等[3]采用热压罐成型工艺，通过优化汽车引擎盖的铺层设计，制作出的碳纤维引擎盖在满足刚度、模态要求的同时有效减轻了重量，实现了引擎盖减重51.2%。张彦飞等[4]对引擎盖真空辅助树脂传递模塑成型（VARTM）工艺参数进行研究，优化了充模流动过程，得出了优化注射方案。黄继峰等[5]采用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料引擎盖，基于OptiStruct软件对引擎盖多阶段进行联合优化设计，在满足力学性能和制造工艺的前提下，优化后的引擎盖重量减少了60%。李燕龙等[6]对纯电动汽车引擎盖SMC成型工艺进行研究，通过采用SMC成型工艺，简化引擎盖结构和连接工艺，实现了相比传统金属材料引擎盖减重23%。

目前，对复合材料引擎盖的研究多集中在热压罐成型、RTM成型等工艺上，对于真空辅助树脂注射成型工艺（Vacuum Assisted Resin Infhsion，VARI）碳纤维引擎盖研究较少。因此，本文通过对VARI 成型碳纤维引擎盖进行研究，采用有限元分析软件对VARI成型碳纤维引擎盖的刚度进行分析，验证VARI成型工艺引擎盖的可行性。

1 碳纤维引擎盖VARI成型工艺

汽车覆盖件常用的成型工艺有手糊成型工艺、树脂传递模塑成型工艺（RTM）、热压罐成型工艺、片状模塑料模压成型工艺（SMC）等。本文碳纤维引擎盖采用真空辅助树脂注射成型工艺（VARI），VARI是在RTM工艺基础上发展而来的一种新型的复合材料成型工艺，该工艺是将产品密封在模具和真空袋之间，通过抽真空对产品均匀加压，得到最终制品的成型方法[7-8]。相比于手糊成型工艺，VARI成型工艺操作性好，产品性能、质量高，生产工作环境好；相比于RTM、热压罐成型工艺，该工艺操作简单、工艺成本低，且适用于制件一次整体成型。引擎盖VARI成型工艺流程如图1所示。

图1 引擎盖VARI成型工艺流程图

2 铺层设计

碳纤维复合材料属于正交各项异性材料，铺层具有较强的可设计性，不同铺层的方向、顺序、数量决定了成型后构件的力学性能，铺层设计时可根据构件受力情况合理设置铺层，最大限度地发挥纤维材料的性能。在考虑引擎盖受力情况，遵循对称铺层，尽可能减小由于层合板的耦合效应而引起的翘曲变形的原则下，本文引擎盖内外板均采用（0°/45°/− 45°/90°）2铺层方式。材料体系采用T300碳纤维/环氧树脂体系成型，碳纤维材料采用单向布，经测试，每层单向布在VARI成型后厚度为0.2 mm，成型后内外板厚度均为1.6 mm。

3 碳纤维引擎盖刚度有限元分析

汽车运行过程中，车身会施加给引擎盖一定的载荷，引起引擎盖的变形和振动，这就要求引擎盖要具有一定的刚度，综合考虑引擎盖的使用条件和受力情况，本文采用有限元法对碳纤维引擎盖的安装变形、边缘变形、扭转刚度、冲击变形进行有限元分析。

计算中引擎盖坐标系设置为沿车长方向为轴，沿车宽方向为轴，垂直于引擎盖方向为轴。

3.1 引擎盖安装变形分析

边界条件：在引擎盖铰链安装螺栓孔处施加约束，约束、、方向移动自由度和、方向的转动自由度，同时在引擎盖前端缓冲块安装孔处限制、、方向移动自由度和、、方向的转动自由度。

加载条件：在引擎盖锁闩处施加200 N垂直向下的载荷，同时对引擎盖总成施加重力载荷。引擎盖约束、加载示意图如图2所示。

图2 引擎盖约束、加载示意图

对引擎盖安装变形进行有限元分析，计算结果显示引擎盖最大变形量为0.79 mm，最大变形出现在锁闩安装孔处，小于设计要求的最大变形量2 mm，其余位置整体变形量较小，符合设计要求，引擎盖安装变形位移云图如图3所示。

图3 引擎盖安装变形位移云图

3.2 引擎盖边缘变形分析

边界条件：在引擎盖铰链安装螺栓孔处施加约束，约束、、方向移动自由度和、方向的转动自由度，同时在引擎盖前端缓冲块安装孔处限制、、方向移动自由度和、、方向的转动自由度。

加载条件：在引擎盖侧梁上施加200 N垂直向下的载荷，同时对引擎盖总成施加重力载荷。引擎盖约束、加载模型如图4所示。

图4 引擎盖约束、加载示意图

图5 引擎盖边缘变形云图

对引擎盖边缘变形进行有限元分析，计算结果显示引擎盖最大变形量为1.23 mm，最大变形出现左侧边缘处，小于设计要求的最大变形量7 mm，符合设计要求，引擎盖边缘变形云图如图5所示。

3.3 引擎盖扭转刚度分析

边界条件：在引擎盖铰链安装螺栓孔处施加约束，约束、、方向移动自由度和、方向的转动自由度，在引擎盖前端一侧缓冲块安装孔处限制、、方向移动自由度和、、方向的转动自由度。

加载条件：在引擎盖侧前端另一侧缓冲块安装孔处施加170 N垂直向下的载荷，同时对引擎盖总成施加重力载荷。引擎盖约束、加载模型如图6所示。

图6 引擎盖约束、加载示意图

对引擎盖扭转刚度进行有限元分析，计算结果显示引擎盖向最大位移为5.51 mm，引擎盖的扭转刚度为30.9 N/mm，引擎盖扭转刚度变形云图如图7所示。

图7 引擎盖扭转刚度变形云图

3.4 引擎盖冲击变形分析

边界条件：在引擎盖铰链安装螺栓孔处施加约束，约束、、方向移动自由度和、方向的转动自由度，同时在引擎盖前端缓冲块安装孔处限制、、方向移动自由度和、、方向的转动自由度。

加载条件：对引擎盖总成施加4倍的重力载荷。引擎盖约束、加载模型如图8所示。

图8 引擎盖约束、加载示意图

对引擎盖冲击变形进行有限元分析，计算结果显示引擎盖最大变形量为1.32 mm，最大变形出现后部边缘处，小于设计要求的最大变形量7 mm，符合设计要求，引擎盖冲击变形云图如图9所示。

图9 引擎盖冲击变形云图

4 结论

（1）本文针对VARI工艺碳纤维引擎盖进行研究，建立了引擎盖的有限元模型，并对引擎盖的刚度进行了有限元分析，分析结果显示碳纤维引擎盖的安装变形、边缘变形、扭转刚度、冲击变形均符合设计要求。

（2）在满足刚度前提下，VARI成型碳纤维引擎盖重量显著降低，实现了车身轻量化。

[1] 边文凤,刘国军,贾宝贤.复合材料汽车车轮的强度分析与铺层设计[J].机械强度,2008(02):315-318.

[2] 童小伟,黄妙华.碳纤维复合材料保险杠铺层优化设计研究[J].材料导报,2017,31(S1):477-480.

[3] 叶辉,刘畅,闫康康.纤维增强复合材料在汽车覆盖件中的应用[J].吉林大学学报,2020,50(2):417-425.

[4] 张彦飞,王芳芳,秦泽云,等.引擎盖VARTM成型充模流动模拟及优化[J].工程塑料应用2012,40(5):46-49.

[5] 黄继峰,周金宇.混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计[J].现代制造工程,2018(04):76-83.

[6] 李燕龙,李峥,樊树军,等.SMC材料在某电动汽车发动机罩盖上的应用[J].汽车科技,2015(01):71-75.

[7] 崔辛,刘钧,肖加余,等.真空导入模塑成型工艺的研究进展[J].材料导报,2013,27(17):14-18.

[8] N.C.Correia, F.Robitaille,A.C.Long,et al.Analysis of the vacuum infusion moulding process:I. Analytical formulation[J].Compo- sites:Part A,2005:1645-1656.

Finite Element Analysis of the Stiffness of VARI Forming Carbon Fiber Hood

LI Heng

( Nantong Vocational University, Jiangsu Nantong 226007 )

Carbon fiber lightweight material is an important means to realize lightweight of automobiles, which has a wide application prospect in the automobile field. The VARI molding process carbon fiber hood was studied. The process flow and lay-up of the hood were designed according to the VARI molding process characteristics and mechanical properties of the hood. The finite element model of VARI molded carbon fiber hood was established in the finite element software, and finite element calculation and analysis were conducted on the stiffness of VARI molded hood. The result shows that the installation deformation, edge deformation, torsional stiffness, and impact deformation of the VARI molded carbon fiber hood meet the design requirements, the adoption of VARI molding process can effectively reduce the weight of the hood and achieve lightweight of car body.

VARI;Carbon fiber;Hood;Stiffness;Finite element

U467

B

1671-7988(2021)24-121-04

U467

B

1671-7988(2021)24-121-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.024.028

李恒，南通职业大学。

2020年度南通职业大学校级项目（编号：20ZK06）。