SMC材料在某商用车车身上的应用及性能研究.pdf

汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 145SMC 材料在某商用车车身上的应用及 性能研究伊维天，柏铁彬，袁伟男，李广志（一汽解放汽车有限公司本部中重型车产品线，吉林 长春 130011）摘要：通过国内外商用车发展现状分析，提出商用车轻量化的背景和意义，基于目前国内主流的轻量化手段，从材料轻量化的角度提出采用 SMC 材料替代钢材在商用车车身上进行应用。本文是以某商用车车身顶盖为例，通过 SMC 材料替代原来的钢结构顶盖，利用 CAE 仿真手段识别 SMC 材料顶盖车身与钢结构顶盖车身基本性能（模态、弯曲刚度、扭转刚度）变化情况及碰撞安全最新法规（GB 265122021）仿真情况；同时完成 SMC 材料顶盖车身样车的试制，将试制样车进行可靠性试验及交通部关于碰撞安全最新法规（GB 265122021）试验，最终结果也验证了 SMC 材料顶盖车身方案的有效性，且 SMC 材料顶盖车身方案相对于钢结构顶盖车身实现降重 14kg。关键词：轻量化；SMC 材料顶盖；可靠性；碰撞安全法规1引言近十年来，我国商用车产业持续快速发展，20102020 年，全国商用车产销量总体呈现上升趋势；与此同时商用车长期面临能源消耗大、环境污染重等一系列问题。2019 年，商用车燃油消耗约占我国汽车燃油消耗的 70%，商用车平均油耗约高于西方国家同类型产品5%10%。在这个能源需求和环境污染压力日趋严峻的时代，如何减少商用车能源消耗与降低排放成为我国政府和汽车行业的主要问题之一。2商用车轻量化的背景和意义我国的汽车工业蓬勃发展，对于解决我国经济物流产业运输“最后一公里路”的商用车而言，2019 年保有量约为 0.33 亿辆，仅占同年我国汽车保有量 2.5 亿辆的 13.2%，但燃油消耗总量却与乘用车耗油总量相当，因而商用车带来的能源紧张和环境污染问题便显得更加 突出1。为了积极应对上述问题，国家提出节能减排战略，自 2019 年 7 月 1 日起，国六排放标准在全国范围内陆续分阶段实施，同时四阶段油耗法规对商用车提出更加严苛的要求，商用车轻量化需求日益强烈。GB 15892016汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值最新国标实施，6 轴车总重由 55t 变为 49t，62 牵引车限重 46t，64 牵引车限重 49t。国六排放、四阶段油耗等国家法规政策同时要求商用车必须轻量化。与此同时IM汽车行业146 2023年增刊如果卡车重量每降低 200kg，会给客户带来额外 200kg 载货量；同时重量降低 200kg，油耗可降低 1.2%1.5%，按百公里油耗 30L 计算，可带来百公里 0.45L 油耗降低。因而商用车轻量化也是市场的必然选择2。目前国内汽车厂家采取了多种方法进行汽车轻量化的研究，以下为三种主要途径：材料轻量化、工艺轻量化和结构轻量化；材料轻量化多采用高强钢、铝镁合金、复合材料等替代传统钢材，工艺轻量化手段主要有热成型、液压成型等，结构轻量化主要手段有拓扑优化、尺寸优化、形貌优化、料厚优化等。本文主要从材料轻量化的角度提出采用 SMC 材料替代钢材在商用车车身上进行应用，以某商用车车身顶盖为例，采用 SMC 材料替代原来的钢结构顶盖。SMC 复合材料亦称作片状模塑料，是一种短切玻璃纤维热固性复合材料，其产品经一次高温模压成型，具有原料成本低、生产率高、对环境污染小、强度高、耐高温、尺寸稳定、成型工艺性能良好和寿命长等特点，已经在汽车工业中获得了广泛应用。同时在模压过程中，SMC 材料具有良好的流动性，可根据需要实现单一产品的多种厚度尺寸分布，设计自由度大3-4。将钢结构顶盖替换为 SMC 材料必然会带来白车身性能的变化及对可靠性、安全性是否满足要求的疑虑，在下文中将对由材料替换所导致的车身性能变化及可靠性、安全性是否满足要求等问题进行研究。3SMC 材料顶盖对白车身基本性能的影响某商用车 SMC 顶盖车身如图 1 所示。图 1某商用车 SMC 顶盖车身3.1模态性能对比车身结构决定着车身固有模态，对于一个多自由度线性系统运动方程可表示为 （1）式中，M 是系统的质量矩阵，C 是系统的阻尼矩阵，K是系统的刚度矩阵，X 是系统的位移向量，F 是系统的激励向量。通常在进行自由模态计算时，无外界载荷，且结构阻尼对模态分析结果几乎无影响，所以上式可以写成：（2）此时结构做简谐振动，位移 x 可表示为 （3）式中，X是简谐振动的振幅向量，是简谐振动的固有频率。将（3）代入（2），得到 （4）式（4）有非 0 解的条件为-=（5）求解式（5）中 i为结构系统的固有圆频率，再经式 得出第 i 阶固有频率。SMC 材料顶盖经一次高温模压成型，表面筋的设计受到模具及工艺条件限制，与金属顶盖相比缺少筋的布置，立面设计以平面为主，导致局部刚度较低，易出现多阶模态振型。经实际仿真计算发现，SMC 材料顶盖在 50Hz 频率内出现多阶顶盖局部模态，而钢结构顶盖在 50Hz 以内仅出现一阶模态，如图 2 所示。SMC 材料顶盖与钢结构顶盖相比，50Hz 频率内模态阶数更多，且模态频率较低，SMC 材料顶盖更易产生共振现象。3.2弯曲刚度性能对比通过仿真手段识别车身在受到弯曲载荷作用下载荷主要传递路径如图 3 所示，在弯曲载荷作用下，顶盖区域未处在载荷主要传递路径上，由此判断顶盖材料替换对车身弯曲刚度性能影响不大。经仿真验证，SMC 材料顶盖白车身与钢结构顶盖白车身相比，弯曲刚度变化不大，计算结果见表 1。汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 147图 2顶盖模态性能对比图 3弯曲工况载荷传递路径表 1弯曲刚度性能对比工况（顶盖材料）纵梁测点变形/mm刚度值/（N/mm）弯曲（SMC）0.774 170弯曲（steel）0.764 227由表 1 可知，材料替换对白车身弯曲刚度性能影响较小，SMC 材料顶盖白车身弯曲刚度略有降低。3.3扭转刚度性能对比通过仿真手段识别车身在受到扭转载荷作用下载荷主要传递路径如图 4 所示，在扭转载荷作用下，顶盖区域未处在载荷主要传递路径上，由此判断顶盖材料替换对车身扭转刚度性能影响不大。图 4扭转工况载荷传递路径通过仿真验证，SMC 材料顶盖白车身与钢结构顶盖白车身相比，扭转刚度变化不大，见表 2。表 2扭转刚度性能对比工况（顶盖材料）测点扭转变形/（）刚度值/Nm/（）扭转（SMC）0.14021 306扭转（steel）0.13522 238由上图、表可知，材料替换对白车身扭转刚度性能影响较小，SMC 材料顶盖白车身扭转刚度略有降低。4SMC 材料顶盖车身 GB265122021 法规项仿真验证我 国 交 通 部 于 2018 年 5 月 1 日 起 实 施 了 JT/T 1178.12018营运货车安全技术条件 第 1 部分：载货IM汽车行业148 2023年增刊汽车行业标准，随后在 2019 年发布了 JT/T 1178.22019营运货车安全技术条件 第 2 部分：牵引车辆与挂车，其中的驾驶室乘员保护方面的性能要求借鉴了欧洲 ECE R29-03 版法规，对商用车驾驶室整体碰撞安全性及抗翻滚性能提出了更高要求5-6。GB 26512商用车驾驶室乘员保护在 2021 年 2 月发布了更新版本，更新内容与交通部行标基本一致。为了最大程度地降低乘员伤害，保证碰撞后驾驶室内部具有足够的生存空间，顶盖材料由钢材替换为 SMC 材料给驾驶室抗翻滚性能带来了较大的风险，因而仿真验证重点关注碰撞安全GB265122021法规中TestC工况（顶压、斜拍），分析方法如图 5 所示。根据 GB 265122021（Test C）顶部强度的要求：最大质量 7 500kg，只进行 P1顶部挤压；最大质 量 7 500kg，同一台试验车先进行 P1摆锤撞击，再进行P2顶部挤压；刚性摆锤 P1沿侧向 20撞击试验车辆（车辆固定），摆锤撞击能量 17.6kJ；刚性加载板 P2沿 Z 向挤压试验车辆顶盖（车辆固定），加载速度 1m/s；加载载荷：车辆前轴或所有轴最大轴荷相当的静态压力。车辆前轴轴荷为 10t，考虑安全系数 1.2，驾驶室承载力目标限值为 109.81.2=117.6kN 分析模型如图 6 所示。图 5分析方法图示生存空间计算结果如图 7 所示。驾驶室顶盖 Z 向承载力达到目标载荷 76.44kN 时，测得剩余生存空间为640mm，满足性能控制要求。车体变形如图 8 所示。上图计算结果表明，SMC 材料顶盖车身满足 TestC仿真验证，但顶盖破坏严重。图 6分析模型图示图 7TestC 计算结果5试制样车可靠性试验及 TestC 试验验证1）对试验样车进行可靠性试验 SMC 材料顶盖车身试制样车通过可靠性试验。试制样车可靠性试验后关注区域未见开裂现象，SMC材料顶盖车身满足可靠性要求。2）对试验样车进行 TestC 试验。对 SMC 材料顶盖车身试制样车进行 TestC 试验，试验样车的要求：驾驶室通过悬置部件安装在车架上；试验前，驾驶室的车门应关闭但不锁止；驾驶室应安装转向机构、转向盘、仪表板以及驾驶员和乘员座椅。转向盘和座椅位置应调整到制造厂所规定的中间位置。驾驶室通过车架固定，应保证在试验中车架无明显的移动。试验结果如图9所示。试制样车经过 TestC 试验后，经实际测量生存空间满足要求，且车身与悬置保持连接，但顶压后 SMC 顶盖破坏严重，与仿真计算结果一致。汽车行业IM投稿网站： 2023年增刊 149图 9试制样车 TestC 试验结果6结束语1）SMC 材料顶盖与钢结构顶盖相比，局部模态较多且频率较低，易发生共振现象。2）SMC 材料顶盖与钢结构顶盖相比，对白车身弯曲刚度、扭转刚度性能影响较小（模态及弯扭刚度仿真应用 Nastran 软件求解计算得到）。3）SMC 材料顶盖白车身关注区域满足可靠性要求。4）SMC 材 料 顶 盖 白 车 身 满 足 碰 撞 安 全 法 规（GB265122021）TestC 要求，但顶盖在试验过程中破坏严重。5）SMC 顶盖较钢结构顶盖实现降重 14kg。SMC 材料相较于钢材料来说，可实现较大幅度的降重，但应用到车身上也会对车身性能产生一定程度的影响；材料轻量化是汽车轻量化的重要手段之一，在未来应用前景广阔，如何平衡由于材料替换而产生的性能影响将是未来研究的重要课题。参考文献1 张楠浅谈中国商用汽车节能与轻量化的意义与愿 景 J汽车文摘，2020(10)：7-152 伊维天，李亦文，徐中皓，等某商用车车身多目标协同轻量化设计 C/中国汽车工程学会2020 中国汽车工程学会年会论文集(7)，2020：37-413 石纪军，沈永旭，刘南南SMC 材料发动机罩的多工况分析及优化研究 J高科技纤维与应用，2020，45 (4)：61-664 S A，H Z，G L，et alAn experimental and numerical study on quasi-static and dynamic crashing behaviors for tailor rolled blank（TRB）structuresJMaterials&Design，2017（118）：175-1975 张 昕，张 君 媛，刘 丽 亚，等ECE R29-02 和 ECE R29-03 法规对商用车驾驶室结构要求的对比分析 J汽车技术，2012(2)：43-476 GAURAV A，JOSEPH PFE Analysis of ECER 29 Load Cases and its Correlation with Test ResultsC/International Packet Video Workshop，2013图 8TestC 车体变形图