改性PDCPD材料在商用车重卡导流罩上的开发应用分析

金泉军，郝建淦，吕玲芳，王东，陈世盛，李明

浙江吉利远程新能源商用车集团有限公司，浙江杭州 311228

0 引言

塑料及其复合材料具有易成型、密度低、比强度高等优点，是汽车轻量化材料的最佳选择。目前，行业内所用玻璃钢复合塑料（SMC）是一种利用玻璃纤维增强不饱和聚酯、环氧树脂与酚醛树脂等基体复合的热固性材料。此材料在商用车上已被广泛应用，其用量可达200～250 kg/车，占驾驶室重量的20%～30%。虽然玻璃钢复合塑料大量应用在商用车行业上，但制造过程中会带来健康危害和环境污染问题：首先，玻璃钢中的玻纤丝接触皮肤后会引发过敏性皮炎；其次，玻璃钢产品生产中易产生大量玻纤和树脂粉尘，极大危害人体健康[1-2]。另外，玻璃钢产品生产过程中会释放大量的含苯等有害物，会对健康造成伤害，并污染大气环境[3-4]。本文通过导流罩内外板均采用改性聚双环戊二烯（PDCPD）塑料钢材料替代SMC，在满足产品轻量化的基础上，通过产品的结构优化达到零件的刚度和强度满足设计要求，为PDCPD产品的开发应用提供技术支持[5-8]。

1 改性PDCPD材料性能分析

1.1 主要原料

本研究方案中改性PDCPD材料主要由A、B两组组分构成，主要包括多环烯烃、丁苯共聚物以及催化剂与添加剂等原料，具体原料的信息见表1。将A组分、B组分按照1∶1在混合头中快速混合均匀，然后注入提前预热好的锻造铝模具中，让混合组分在极短的时间内引发聚合反应，从而制备导流罩产品，RIM 工艺成型流程如图1所示。

图1 RIM工艺成型流程

表1 原料信息

1.2 材料力学性能

将经RIM工艺注射成型的导流罩制品材料制备成标准测试样条，分别进行材料力学测试。①密度。基于GB/T 1033.1—2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1部分：浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》中的方法A，通过DH-120T型电子比重计进行密度测试，获得密度为1.054 g/cm3。②抗拉强度。根据GB/T 1040.2—2022《塑料 拉伸性能的测定 第2部分：模塑和挤塑塑料的试验条件》，将试样制备成1A类型，拉伸速度设定为50 mm/min，通过TCS-2000拉力试验机进行强度试验，获得抗拉强度为51.1 MPa。③弯曲强度。依据GB/T 9341—2008《塑料 弯曲性能的测定》，将试验制备跨距设置成64 mm，弯曲速度设定为2.0 mm/min，通过TCS-2000拉力试验机测试，获得弯曲模量为82.9 MPa，弯曲强度为2150.0 MPa。④冲击强度。按照GB/T1043.1—2008《塑料 简支梁冲击性能的测定 第1部分：非仪器化冲击试验》，将试样制备成80 mm×10 mm×3 mm条状，缺口类型选择A型，跨距为62 mm，冲击速度设定为2.9 m/s，通过GT-7045-MD摆锤冲击试验机进行测试，获得23 ℃缺口冲击强度为32 kJ/m2。由表2可见，PDCPD材料拉伸强度与行业主流材料性能基本相当，而弯曲强度对比行业主流材料性能提升3.62%以上，弯曲模量对比行业主流材料性能提升了13.15%以上，缺口冲击强度对比行业主流材料性能提升3.22%以上。

表2 改性PDCPD材料性能分析

2 改性PDCPD材料导流罩的CAE分析

2.1 有限元模型建立

首先采用建模软件对导流罩总成（包括顶导流罩1、右侧上导流罩2、左右侧下导流罩3与左侧导流罩4）建模，如图2所示。首先，进行网格划分，网格采用6 mm×6 mm壳单元；随后，采用bolt连接方式对螺栓连接部位进行模型简化；最后，针对安装在车体上的导流罩支架123456六个自由度进行全约束，约束模式如图3所示。给各结构模型赋予材料属性，性能要求见表3。对基于改性PDCPD材料的导流罩产品进行模态、静态强度、动态强度以及刚度分析验证。

图2 导流罩结构

图3 导流罩约束模式

表3 材料属性性能要求

2.2 模态分析

基于约束模态分析，重点提取前四阶模态进行对比分析，通过表4可以看出，导流罩总成前四阶模态分别为28.30 Hz、31.96 Hz、32.32 Hz、33.38 Hz，均高于目标值25.00 Hz，并且分别高于设计目标值13.2%、27.84%、29.28%、33.52%。同时基于图4发现，一阶、二阶、四阶模态中振型较大部位均在右侧上、下导流罩，三阶模态中振型较大部位在左侧下导流罩。

表4 导流罩总成前四阶约束模态数据

2.3 强度分析

基于导流罩总成强度要求，重点分析静态强度与动态强度。

（1）静态强度分析。主要包括4个工况，分别为风压工况、X向工况、Y向工况、Z向工况，具体要求参考表5，结果如表6、图5所示。通过分析可以看出，在风压工况下导流罩总成最大应力为1.977 MPa；在X向工况下导流罩总成最大应力为4.368 MPa；在Y向工况下导流罩总成最大应力为9.721 MPa；在Z向工况下最大应力为3.700 MPa。基于四种工况的强度分析结果可以看出，Y向工况导流罩总成受到的应力最大，但最大应力远小于设计要求的40.000 MPa（≤0.8倍的PDCPD材料的抗拉强度），说明不同工况下的强度分析结果均满足设计要求。同时受力较大部位均在右大灯装饰板。

图5 导流罩静态强度最大应力分析

表5 导流罩总成静态强度加载要求

表6 导流罩总成静态强度分析结果

（2）动态强度分析。主要包括X向振动、Y向振动、Z向振动，并要求对其约束点施加加速度，具体要求参考表7所示，频率扫描范围在1050 Hz，分析结果如表8、图6所示。通过分析可以看出：在X向振动下受到的最大应力为14.259 MPa；在Y向工况下受到的最大应力为17.451 MPa；在Y向工况下受到的最大应力为9.721 MPa；在Z向振动工况下受到的最大应力为21.096 MPa。基于4种工况的强度分析结果可以看出：不同工况下承受的最大应力均小于设计要求的25.000 MPa（≤0.5倍的PDCPD材料的抗拉强度）；同时X向与Y向工况受力较大部位都是在右侧下导流罩，Z向工况受力较大部位在顶导流罩。

图6 导流罩动态强度最大应力分析

表7 导流罩总成动态强度加载要求

表8 导流罩总成动态强度分析结果

2.4 刚度分析

基于模态分析结果，针对产品薄弱部位进行刚度分析。刚度分析测试位置如图7所示，并且要求在测试位置直径30 mm范围内法向加载200 N负荷，分析结果如表9、图8所示。通过分析可以看出，测试点1与测试点2右侧下导流罩部位的位移分别为14.30 mm、11.41 mm；测试点3与测试点4右侧上导流罩部位的位移分别为15.83 mm、15.91 mm；测试点5与测试点6顶导流罩部位的位移分别为10.45 mm、7.90 mm；测试点7左侧上导流罩部位的位移为11.91 mm；测试点8左侧下导流罩部位的位移为8.83 mm。通过综合评价测试点结果，产品结构薄弱部位的刚度均小于设计目标（设计最大位移≤16.00 mm），可满足产品设计要求。

图7 导流罩动态刚度分析测试点

图8 导流罩测试点刚度分析结果

表9 刚度分析结果

3 结论

采用密度为1.054 g/cm3的改性PDCPD材料制备导流罩，产品可实现减重30%以上。

（1）材料性能分析结果。抗拉强度为32 MPa，弯曲强度为82.9 MPa，弯曲模量为2150.0 MPa，室温缺口冲击强度为32.0 kJ/m2，均高于国外主流的PDCPD材料要求。

（2）零件设计分析结果。基于模态分析，最小的一阶模态为28.3 Hz，前四阶模态频率均可满足设计要求的≥25.0 Hz以上；针对静态强度分析进行风压工况、X向工况、Y向工况、Z向工况分析，获得导流罩总成最大应力仅为9.721 MPa，小于设计要求的静态强度40.000 MPa；对于动态强度分别进行X、Y、Z向振动分析，导流罩总成最大应力仅为21.1 MPa，小于设计要求的动态强度25 MPa；针对薄弱部位的刚度分析，导流罩总成最大变形量为15.909 mm，刚度值小于设计要求的16 mm。综合分析可以看出，该结构能够满足设计要求。