长玻纤材料的轻量化应用研究.docx

长玻纤材料的轻量化应用研究 摘要：基于长玻纤增强聚丙烯材料优异力学性能，在汽车部件轻量化开发中，被广泛应用，常用于替代传统金属材料。文章对于长玻纤材料性能影响因素（玻纤含量，纤维取向），材料测试参数处理进行了阐述，并基于塑料前端框架应用，采用30%长玻纤增强聚丙烯材料，为达到产品所定义要求的性能，如刚度、强度、模态等，同时满足产品设计边界，在产品设计阶段，运用OptiStruct模型中多工况拓扑优化、尺寸优化，达到最优轻量化设计的科学设计方法。 前言随着国家对于排放法规的日趋严格，到2020年乘用车平均燃料消耗量达到5 L/100 km的目标。据统计，汽车每减重10%，燃油消耗量可降低6%～8%1 材料属性PP基体由于玻纤的加入，物理性能得到较大的增强，同时也使得材料具有各向异性。1.1 玻纤含量对于LFT-PP的性能影响表1反映了纤维含量对LFT-PP材料力学性能的影响，随着玻纤含量的上升，LFT-PP材料的密度增大，材料的力学性能，包括拉伸性能，弯曲性能和韧性都有不同程度的提高，玻纤质量分数从30%上升到50%,LFT-PP材料的拉伸强度和弯曲强度分别从118、160 MPa上升到140、200 MPa，分别提升了18.6%,25%，说明当玻纤含量从30%～50%的时候，材料的力学性能显著增加1.2 玻纤取向对于LFT-PP的性能影响LGF-PP材料在注塑成型过程中，复合材料的玻纤会发生取向，成型后制品的力学性能呈现各向异性的特性，如图1所示某料商PP-LGF30材料常温下不同取向应力—应变曲线。为得到不同纤维取向材料参数，需：(1）注塑成型如图2所示纤维取向样板；(2）切割与纤维取向成0°、45°、90°角度的拉伸样条，如图3。材料参数处理如1.2节所述，玻纤增强材料具有取向性，在实际注塑制件中，成型后的制品力学性能存在各向异性。在实际工程应用中，为简化工程问题，对于取样测试后的不同取向参数，会予以处理成仿真用各向同性参数。依据实验获得材料0°、45°、90°方向的拉伸曲线，取得3个方向的力学性能：弹性模量、泊松比、断裂强度、断裂伸长率等，依据复合材料层合板理论，按照45°/90°/—45°/0°铺放角度获得各向同性参数。式中，A在本文案例中，将以PP-LGF30材料为选用材料，根据实验测试材料曲线，计算各向同性材料参数如表2，用于后续仿真分析。2 结构设计2.1 前端框架简介前端框架（图4部件9即为前端框架）为汽车前端模块的核心部件，用于承载散热器系统，承受机盖锁拉力，保证各安装部件刚度等要求。相对于传统钣金前端框架，塑料前端框架减重超过30%以上。目前，全塑前端框架已被各OEM广泛采用。在精益设计、成本的原则下，在开发阶段，产品的精益设计则至关重要。2.2 结构设计2.2.1 设计空间设计空间是指，根据输入周边数据，包括前防撞梁、前大灯、机盖锁、上装饰板、引擎盖、散热器系统、下护板等，及部件间间隙要求等约束条件下，前端框架设计所能布置的最大空间。图5显示了某款汽车前端框架设计周边布置数据，同时基于此边界输入，完成后续结构方案设计。依据输入，完成前端框架设计空间如图6，设计空间将后续用于拓扑优化。2.2.2 拓扑优化拓扑优化是对于给定的设计空间，在不同目标工况约束下，优化出最佳的材料分布。(1）连续体结构拓扑优化数学模型如公式所示：式中：tσ为单元i的固有许用应力；为单元i的固有重量；f(2）拓扑优化步骤。1）创建网格在Hypermesh建立四面体网格，单元格尺寸5 mm，分别定义材料和材料属性（表2所示）。定义部件之间的连接（如锁扣受力点与前端框架的连接，前端框架与车身的连接，散热器安装等），用刚性连接单元REB2来模拟，。2）拓扑优化分析工况a.固定点：4个前端框架与车身的安装点1～6自由度约束。b.拓扑优化分析项。a）锁扣Z向刚度：锁扣受力点Z向加载力500 N;c）散热器Z向刚度：散热器下安装点-Z向加载力300 N;a.锁扣Z向刚度：锁扣受力点最大位移≤1 mm;c.散热器Z向刚度：散热器下安装点最大位移≤1mm;4）拓扑运算对创建完成的模型提交运算，图8为单元密度0.3的拓扑优化结果。由结果可以发现，设计空间减重较多，同时优化结果可导出至CAD设计软件。2.2.3 CAD结构设计在hypermesh中，将拓扑结果导出点云，并导入到CAD软件中。依据拓扑优化结果，完成3D初版方案设计，如图9。在进行初版方案设计时，需考虑产品加工制造的可行性，复合注塑零件的设计规则。初版方案设计重量2.9 kg，主壁厚3.0 mm，加强