聚双环戊二烯发动机罩结构优化设计.pdf
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1、第 51 卷第 10 期2023 年 10 月同济 大 学 学报(自然科学版)JOURNAL OF TONGJI UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE)Vol.51 No.10Oct.2023论文拓展介绍聚双环戊二烯发动机罩结构优化设计陈鑫1,唐悦1,徐浩1,刘伟哲2(1.吉林大学 汽车仿真与控制国家重点实验室,吉林 长春 130025;2.河北师范大学 职业技术学院,河北 石家庄 050024)摘要:以某乘用车发动机罩为例,建立聚双环戊二烯(PDCPD)发动机罩的结构优化设计方法流程,实现结构设计轻量化。试验测得PDCPD的材料属性数据,应用等刚度等强度计算-拓扑优化-形貌优
2、化-多目标参数优化的设计流程,实现多种工况下的结构优化设计。性能分析结果表明,相较于原始钢制发动机罩,应用此方法流程设计的PDCPD发动机罩能够获得较显著的力学性能提升,同时轻量化效果明显。关键词:聚双环戊二烯;汽车发动机罩;结构优化;轻量化中图分类号:U463.82文献标志码:AStructural Optimization Design of Polydicyclopentadiene BonnetCHEN Xin1,TANG Yue1,XU Hao1,LIU Weizhe2(1.State Key Laboratory of Automobile Simulation and Contr
3、ol,Jilin University,Changchun 130025,China;2.College of Career Technology,Hebei Normal University,Shijiazhuang 050024,China)Abstract:Taking the engine cover of a passenger car as an example,the structure optimization design method flow of Polydicyclopentadiene(PDCPD)engine cover was established to r
4、ealize the lightweight structure design.The material property data of PDCPD were measured in the experiment,and the design process of equal stiffness and equal strength calculation-topology optimization-morphology optimization multi-objective parameter optimization was applied to the structural opti
5、mization design under various working conditions.The performance analysis results show that compared with the original steel engine cover,the PDCPD engine cover designed by this method can achieve significant mechanical performance improvement,and the lightweight effect is obvious.Key words:polydicy
6、clopentadene;automotive engine hood;structural optimization;lightweight 汽车轻量化是世界汽车重要发展趋势之一,采用轻质材料是实现轻量化的重要手段。聚双环戊二烯(PDCPD)是一种高性能的热固性塑料,属于环境友好型绿色高分子聚合物。PDCPD材料因具有密度小、高抗冲击性能、高耐热性能等优点,得以应用在车身覆盖件结构上。Camboa A.等人以钢、铝为发动机罩外板材料,PDCPD为内板材料,对比分析不同厚度组合钢铝外板后,得到了符合刚度和轻量化要求的最佳发动机罩结构1。孙晓林等人根据拓扑优化结果完成对商用车PDCPD顶盖的结构
7、设计,并通过虚拟仿真技术进行全面分析与优化,在保证性能的基础上取得了30%以上的轻量化效果2。张瑞俊等人改进了某PDCPD商用车导流罩,通过刚度与强度仿真分析验证改进后PDCPD导流罩的性能满足服役要求,并与原SMC(片状模塑料)导流罩相比减重43%3。谭明峰等设计了内有钢制骨架、外有PDCPD蒙皮的发动机罩结构,试验验证了结构的有效性,同时实现整体减重30%4。从现有文献来看,PDCPD材料可以实现较好的工程实际应用,能够满足性能要求并达到轻量化的目的。然而,这些研究多是在产品试验和仿真结果基础上的结构改进,未见基于PDCPD材料属性的结构优化设计方法与流程。结构优化设计是轻量化的重要手段之
8、一,若是将结构优化与PDCPD材料相结合,共同应用到车身结构覆盖件的研究中,能在发挥PDCPD材料优点的同时,最大程度实现轻量化与结构性能提升。结合PDCPD独特的材料物理属性,本文综合应用结构优化方法针对某轿车发动机罩进行轻量化设计。首先在锁闩工况、正弯工况、侧弯工况和扭转工况这四种常用工况下,对原始钢制发动机罩进行性能分析,基于PDCPD力学性能试验获得的参数,通文章编号:0253374X(2023)10-1633-08DOIDOI:10.11908/j.issn.0253-374x.22201收稿日期:2022-05-02第一作者:陈 鑫(1974),男,教授,博士生导师,工学博士,主要
9、研究方向为汽车车身设计轻量化以及汽车NVH分 析与控制。E-mail:通信作者:刘伟哲(1973),女,副教授,工学硕士,主要研究方向为汽车车身设计。Email:同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷过等刚度等强度计算设计出基本符合性能要求的PDCPD发动机罩,再通过拓扑优化形貌优化多目标参数优化的设计流程,实现PDCPD发动机罩的结构优化。最后对原始钢制发动机罩与优化后PDCPD发动机罩进行性能对比分析,验证了结构优化方法应用于PDCPD车身结构覆盖件的可行性。1 基于等刚等强计算的模型建立 1.1原始钢制发动机罩总成性能分析对某轿车钢制发动机罩总成有限元模型进行研究,其主
10、要组成零件如下:外板、内板、铰链、盖锁、铰链加强板和盖锁加强板。盖锁采用六面体单元,其他零件采用四边形壳单元,使用三角形壳单元进行必要过渡,各零件之间通过网格节点建立刚性连接。有限元模型如图1所示。各部件所采用的材料及性能如表1所示。选取锁闩工况、正弯工况、侧弯工况和扭转工况这4个常用工况来评价发动机罩总成的静刚度。设置好相应约束后,通过OptiStruct求解器进行性能与模态分析,结合载荷条件计算可得结果如表2所示。1.2PDCPD发动机罩模型建立1.2.1材料性能试验考虑到PDCPD作为高分子聚合物,其性能受催化剂与制备工艺影响5,所以在模型建立前,需要进行性能试验以获得后续等刚度等强度计
11、算所需的准确的材料参数。根据国家标准 塑料拉伸性能的测定(GB/T 1040.12018)以及 塑料 弯曲性能的测定(GB/T 93412008),分别制备PDCPD标准拉伸、弯曲试样,并进行标准拉伸与弯曲试验。获得PDCPD部分力学性能参数如表3所示。1.2.2等刚度等强度计算考虑到PDCPD发动机罩内外板可以分别通过反应注射成型技术(RIM)一次成型,再粘接而成6,所以取消发动机罩总成中的铰链加强板和盖锁加强板,铰链和盖锁以嵌件的形式与内板连接,在注射成型的过程中与PDCPD内板一体成型,以提高生产效率。为防止嵌件位置出现缩痕、应力集中等缺陷,在内板上安装加强板的相应区域设置局部加厚。同图
12、1钢制发动机罩总成模型Fig.1Steel hood assembly model表1钢制发动机罩总成各零件材料参数Tab.1Material parameters of each part of steel hood assembly零件外板内板铰链盖锁铰链加强板盖锁加强板材料DC03DC03SAPH440D180HDC01DC01密度/(tmm-3)7.8510-97.8510-97.8510-97.8510-97.8510-97.8510-9弹性模量/GPa194194210201201201泊松比0.240.240.290.270.240.24屈服应力/MPa170.72170.722
13、61.49221.70174.00174.00初始厚度/mm0.60.73.0-1.40.8表2钢制发动机罩总成部分性能指标Tab.2Some performance specifications of steel hood assembly项目/单位弯曲刚度/(Nmm-1)扭转刚度/(Nmmrad-1)固有频率/Hz质量/kg工况锁闩工况正弯工况侧弯工况扭转工况1阶2阶3阶-数值109.45110.09166.677.1810743.2847.6154.538.56表3PDCPD力学性能测试数据Tab.3PDCPD mechanical properties test data项目拉伸试验弯
14、曲试验弹性模量/GPa抗拉强度/MPa峰值载荷/N最大应力/MPa数值2.055.4913581.01634第 10 期陈鑫,等:聚双环戊二烯发动机罩结构优化设计时,PDCPD材料产品不像钢材那样具有相对固定的厚度标准,这意味着板料厚度具有更大的设计空间与灵活度。参考文献 7 中的等弯曲刚度和等强度理论计算,采用式(1)式(2)进行估计板料厚度与质量关系:m2m1=21E1E23(1)m2m1=2112(2)式中:m1与m2分别为材料替换前与替换后质量;1与2分别为原始材料密度与替换材料密度,分别为7.8510-9tmm-3与1.0310-9tmm-3;E1与E2分别为原始材料弹性模量与替换材
15、料弹性模量,即194GPa与2GPa,1与2分别为原始材料屈服强度与替换材料屈服强度,即170.72MPa与55.49MPa。根据式(1)式(2)求得在获得同等力学性能的条件下DC03与PDCPD厚度比与质量比如表4。由表可知,在保证同等弯曲刚度与强度时,理论上PDCPD材料的厚度应为DC03厚度的4.59倍,可以实现减重40%。结合表1与表4进行各零件厚度计算,并根据PDCPD 材料属性做适当调整,初步设定 V1PDCPD发动机罩总成各零件相应的材料和属性如表5所示。据此建立V1PDCPD发动机罩总成模型。图2为V1PDCPD发动机罩内板结构。1.3性能分析与初步改进作为发动机保护和碰撞时行
16、人保护的重要覆盖件,使用PDCPD材料替换钢材后发动机罩静刚度应有所上升。此外,对于固有频率,发动机罩最近的激励源为发动机,轿车发动机激振频率约为 2426Hz,为保证发动机罩的使用可靠性,一般要求错开载荷激振频率2Hz以上,故发动机罩低阶固有频率应高于28Hz8。由于在计算各零件厚度时对模型进行了简化,通过计算值建立的V1PDCPD发动机罩性能与理论值可能有较大差异。并且通过性能分析可知,与原始钢制发动机罩相比,V1PDCPD发动机罩虽然减重明显,但静刚度与固有模态频率均大幅降低,不满足力学性能要求。所以再次对内板结构进行调整,考虑到V1PDCPD锁闩工况与正弯工况下发动机罩刚度下降幅度较大
17、,将内板左右对称方向上的中央区域设置局部增厚。通过多次尝试计算,确定发动机罩总成各零件厚度如表6所示。此时的V2PDCPD发动机罩与钢制发动机罩性能相差不大,与原始钢制发动机罩和V1PDCPD发动机罩性能对比如表 7 所示。其内板结构如图 3所示。由表7可知,与原始钢制发动机罩相比,V2PDCPD发动机罩锁闩工况下弯曲刚度、扭转工况下扭转刚度有所提升,正弯工况和侧弯工况下的弯曲刚度、固有频率以及轻量化效果有所降低。与V1PDCPD相比,各项性能均得到相应提升,但质量也有所上升。为达到轻量化目标,后续优化设计将以V2PDCPD发动机罩为基础,通过结构优化方法达到力学性能与轻量化要求。表4等弯曲刚
18、度和等强度下材料厚度与质量比Tab.4Material thickness to mass ratio at equal bending stiffness and equal strength项目弯曲刚度强度厚度比(t2/t1)4.592.38质量比(m2/m1)0.600.31表5V1PDCPD发动机罩总成各零件材料参数Tab.5Material parameters of each part of V1PDCPD hood assembly零件外板内板内板铰链加强区域内板盖锁加强区域铰链盖锁材料PDCPDPDCPDPDCPDPDCPDSAPH440D180H密度/(tmm-3)1.037
19、.8510-91.037.8510-91.037.8510-91.037.8510-97.857.8510-97.857.8510-9弹性模量/GPa2222210201泊松比0.390.390.390.390.290.27屈服应力/MPa55.4955.4955.4955.49261.49221.70初始厚度/mm2.83.210.07.03.0-图2V1PDCPD发动机罩内板Fig.2V1PDCPD bonnet inner panel1635同 济 大 学 学 报(自 然 科 学 版)第 51 卷2 结构优化 考虑到发动机罩内外板结构功能不同,后续优化设计将以内板结构为主要研究对象,而对
20、发动机罩总成进行性能评价。在概念设计阶段,拓扑优化能够求得最佳材料分布与传力途径,形貌优化能够在维持结构拓扑关系不变的条件下求出最优加强肋分布。参数优化即尺寸优化,应用于详细设计阶段,是指对尺寸参数进行优化从而实现轻量化的方法9。基于此,首先对内板结构进行拓扑优化,以得到最优材料分布。在此基础上再进行形貌优化,得到性能最优的加强筋形状与布置。在内板结构大致确定后,最后通过灵敏度分析筛选厚度改变对发动机罩性能影响较大的主要零件,并使用多目标参数优化方法对主要零件和区域板厚进行优化,以实现性能提升与轻量化效果。2.1拓扑优化为同时满足多个工况下的要求,采用包括多个工况下的刚度以及模态工况下的固有频
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