超轻玻纤复合材料后背门轻量化研究

据汽车工业不完全统计，汽车整备质量每降低10%，燃油效率能提高6%-8%。对应欧盟的CO2排放指标，汽车的整备质量每降低100kg，CO2排放降低10g/km，因此，汽车轻量化具有重大意义。与金属相比，超轻玻纤复合材料的密度为1.24g/cm3，是普通钢的1/6，是铝合金的1/2。其比强度接近镁合金，但成本远低于镁合金，比强度高于其他金属材料。因此，超轻玻纤复合材料是汽车轻量化的最佳选择之一。

后背门是汽车的重要组成部分，不仅应满足开启装载货物的功能，而且要达到A级表面的外观质量要求。现有的后背门由内板，外板，加强板和铰链等组成，均为钣金冲压结构，厚度在0.65-0.8mm之间。本文后背门内板采用高强度玻纤复合材料[1]，外板采用超轻的A级表面玻纤复合材料，内外板采用胶粘连接。通用自由尺寸和拓扑优化方法，优化内板和外板的结构和厚度分布，经CAE分析各项指标均满足性能要求，与钣金后背门相比减重效果非常明显。

为了后续比对分析方便，本文选取某品牌纯电动汽车（简写为Car）后背门作为建模研究对象，该对象的基本参数如下：（1）刚度。侧向刚度≥40n/mm，弯曲刚度≥30n/mm。（2）抗凹性。使用直径80mm的圆盘作为实验工具，向外板任意区域施加400N的压力后，汽车外板形变≤10mm。（3）振动与声振粗糙度（英文简写为NVH）。NVH≥30Hz。（4）后背门质量。Car的后背门质量设定为16.8kg。基于Car的基本性能指标讨论尺寸优化、自由尺寸优化和铺层次序优化策略的效果。

为了确保在不降低汽车后背门整体性能、不影响乘车人舒适度的前提下进行后背门质量（单位kg）的合理缩减，选用OptiStruct软件建模分析复合材料后背门模态频率、刚度和抗凹性等重要参数并生成模拟图。在开展优化分析之前需要重点关注复合材料后背门的优化原则，基于这些优化原则确保模拟优化分析工作顺利进行。

（1）平衡对称性：汽车复合材料后背门应当以均衡对称形式为主，均衡对称是最为常见且稳定的一种对称形式，能够最大限度避免层合板因为翘曲变形影响汽车安全性。

（2）铺层顺序。在满足减重效果的同时不能影响到汽车原有性能，一般情况下整体铺层数量应当控制在4层以下，层数过多会影响减重效果。

（3）铺层角度控制。铺层方向不宜过多过乱，一般取45°的整数倍。

3.1 超轻玻纤复合材料后背门自由尺寸优化

为了后续描述方便，本文需要预先给出“超级铺层”的概念：所谓“超级铺层”是指将多个单一铺层（一般厚度为0.5mm）在同一个方向进行叠加，并通过粘合、固定、捆绑等手段将多个单一铺层组装成一个整体，这个整体就可以被看做一个“超级铺层”。整个后背门自由尺寸优化过程可以概括为三步：（1）设计变量优化。主要优化“超级铺层”厚度以及所含的单个铺层数量。（2）设计约束优化。内外板体积分数≤0.3，弯曲工况施加载荷点位移≤1.02mm，扭转工况施加载荷点位移≤2.4mm，侧向工况施加载荷点位移≤3.23mm，见图1。

图1 自由尺寸优化效果图

3.2 超轻玻纤复合材料后铺层次序优化

超轻玻纤复合材料后铺层次序优化铺层次序优化过程可以描述为：（1）设计变量优化。后背门内板9层铺层次序；后背门外板10层铺层次序；内外板设置为对称铺层（2）设计约束优化。后背门内外板的外表面为正负45°铺层；后背门内外板的外表面最多允许3层角度相同的连续铺层。（3）设计目标优化。设加权柔度=F（弯曲工况、扭转工况、侧向工况），要求加权柔度取得最小值。

图2 后背门轻量化优化结果

3.3 超轻玻纤复合材料尺寸优化

超轻玻纤复合材料后铺层次序优化铺层次序优化过程可以描述为：（1）设计变量优化。适当降低单个形状铺层块厚度。（2）设计约束优化。弯曲工况施加载荷点位移≤1.03mm，侧向工况施加载荷点≤3.22mm，扭转工况施加载荷点位移≤2.41mm，复合材料应力F满足-60Mpa≤F≤60Mpa。经过尺寸优化后，超轻玻纤维后背门的刚度性能得到明显提升。

根据模态优化结果可知，钣金尾门的第一阶扭转模态为30.5Hz（见结果1），复合材料尾门的第一阶扭转模态为33Hz（见结果2），均满足NVH的目标要求。钣金尾门的侧向刚度为40.2N/mm，复合材料尾门的侧向刚度为50.6N/mm， 均满足刚度目标要求。钣金尾门的弯曲刚度为31.2N/mm，复合材料尾门的弯曲刚度为35.9N/mm，均满足刚度目标要求。钣金尾门的最大变形为10.27mm（见结果3），最大应力为265.7Mpa，位移不能满足性能要求，且局部有永久变形；而复合材料尾门最大变形为9.3mm（见结果4），满足性能要求。复合材料的最大应力只有50.8Mpa，无永久变形，抗凹性能远优于钣金尾门。

本文对钣金后背门和玻纤复合材料后背门进行对比分析[2]，采用先进的轻量化优化方法和复合材料灵活的设计自由度优势，在满足NVH、侧向刚度、弯曲刚度和抗凹性的各向性能指标的前提下，与钣金后背门相比重量减少了4.2kg，减重效果达25%以上。因此，超纤复合材料是汽车轻量化的发展的最佳选择之一。

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