摘 要:本文以一款現(xiàn)有無邊框車門的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì),保留車門外板的外形和內(nèi)板,用 CATIA 進(jìn)行設(shè) 計(jì),根據(jù)壓鑄特征對車門進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。根據(jù)車門強(qiáng)度剛度要求選用上海交通大學(xué)合金中心彭立明教授研發(fā)專利 免熱處理材料作為壓鑄材料[1]。根據(jù) CATIA 的逆向掃描提取出車門曲面,重新設(shè)計(jì)后將數(shù)模導(dǎo)入 HyperWorks 對模型進(jìn)行處理并劃分網(wǎng)格,用 HyperWorks自帶的 Optistruct求解器對車門的剛度、和模態(tài)分析進(jìn)行求解,結(jié)果 表明該車與傳統(tǒng)的沖壓車門相比門力學(xué)性能得到了極大的提高。

關(guān)鍵詞:HyperWorks;CATIA;模態(tài)分析;剛度分析

0 前言 

車門汽車覆蓋件中的重要組成部分,傳統(tǒng)的車門制造 技術(shù)對材料有限制,生產(chǎn)效率低,磨具開發(fā)時(shí)間長。 為了 提高生產(chǎn)效率及減輕車門的重量,本文利用壓鑄技術(shù)對車 門進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真分析。 壓鑄技術(shù)現(xiàn)發(fā)展已經(jīng)比較成熟,鑄 造的種類有很多種,比如壓力鑄造、真空鑄造、消失模鑄 造、反重力鑄造、擠壓鑄造、離心鑄造等多種加工方式,根 據(jù)零件的不同特征可以選用不同的加工工藝生產(chǎn)。 隨著 壓鑄機(jī)械和壓鑄材料在近幾年取得的重大發(fā)展,壓鑄這一 制造工藝的優(yōu)點(diǎn)收到人們的青睞。 在2008年就已經(jīng)有企 業(yè)開始采用鑄造的加工工藝,但是由于當(dāng)時(shí)材料和設(shè)備的 限制,鑄造一直沒有得到發(fā)展。 在德國所斯特生產(chǎn) 的 尼 桑,運(yùn)用真空壓鑄技術(shù)生產(chǎn)出了面積為0.5m2 的零件,壁 厚僅為0.2~0.3mm,實(shí)現(xiàn)了減重30%。

1 研究現(xiàn)狀 

壓鑄的材料和設(shè)備現(xiàn)已比較成熟,在2020年特斯拉 的6000t舉行壓鑄機(jī)已經(jīng)投入生產(chǎn),并將車身后部底板的 七十多個(gè)零部件制造成一體部件,極大的提高了生產(chǎn)效率 并且降低了成本,同時(shí)也對汽車的輕量化起到了積極的作 用。 國內(nèi)多家企業(yè)在壓鑄機(jī)器和材料上做了大量的研究, 2022年1月,廣東鴻圖科技股份有限公司6800t的巨型壓 鑄機(jī)也投入生產(chǎn),并且該公司12000t的巨型壓鑄機(jī)正在 投入生產(chǎn)[2] 。 國外的意德拉集團(tuán)、瑞士布勒集團(tuán)也生產(chǎn)出 6000t~7000t級別的壓鑄設(shè)備。 這對壓鑄的生產(chǎn)起到了 極大的促進(jìn)作用,有了這些重型機(jī)械,真空條件、沖頭速 度、壓鑄力、鎖模力等等這些條件基本能夠滿足。 在大型 一體零件的工藝中,傳統(tǒng)的壓鑄鋁合金材料已經(jīng)不再能滿 足工程師的設(shè)計(jì)要求[3] 。 

大型一體零件的面積大,熱處理這種工藝很容易造成零 件表面形成缺陷,雖然可以通過處理減輕熱處理帶來的負(fù)面 影響,但是還是對零件的生產(chǎn)造成損失,增加了制造成本,并 且有較大的風(fēng)險(xiǎn)。 所以在一體化的壓鑄大型零件生產(chǎn)中更 加偏好于免熱處理的鋁合金。 目前的國內(nèi)有多家學(xué)校和企 業(yè)對免熱處理的鋁合金進(jìn)行了大量的研究。 早在2008年, 美國鋁業(yè)公司就開發(fā)出560免熱處理鑄造鋁合金,并且560 鋁合金已經(jīng)應(yīng)用于日產(chǎn) GT-R的車門中;2015年,美國鋁業(yè) 公司發(fā)布了四款新型壓鑄鋁合金產(chǎn)品 SupraCast、EZCast、 VersaCast、EverCast;在2019年又升級為 EZCast-NHT合金。 上海交通大學(xué)輕合金中心丁文江院士、彭立明教授團(tuán)隊(duì),也 開發(fā)出了JDA1和JDA2兩種類型的免熱處理鋁合金,其中 JDA1類型中有適用于車架、支架等受力零件的材料,也有適 用于電機(jī)殼體等高強(qiáng)要求鑄件的材料;JDA2系的材料主要 應(yīng)用于高強(qiáng)高韌的零件,并且該零件具有薄壁效應(yīng),適合車 身的薄壁零件制造。 該集團(tuán)解決了國外一些鋁合金由于硅 含量比較低而產(chǎn)生的流動(dòng)性較差的問題,極大程度上降低了 壓住零件報(bào)廢的問題。 國內(nèi)還有許多企業(yè)也對鋁合金性能的研究有了一定程度上的突破,瑞格金屬、永茂泰等公司也 在積極研發(fā)并申請專利[1] 。

2 車門設(shè)計(jì) 

本文是對一款現(xiàn)有車門進(jìn)行重新設(shè)計(jì),通過掃描車門 內(nèi)外板完整結(jié)構(gòu)得到車門的點(diǎn)云圖,然后經(jīng)過 CATIA 處 理得到該車門原有的曲面特征。 根據(jù)車門的設(shè)計(jì)要求及 大型壓鑄件的設(shè)計(jì)要求,對曲面進(jìn)行重新設(shè)計(jì)。 

(1) 根據(jù)鋁合金壓鑄件特征,薄壁件會(huì)提高零件的強(qiáng) 度,但是壁件的厚度太小會(huì)對壓鑄成型的過程造成負(fù)面影 響,因此外板的壁厚要根據(jù)車門的強(qiáng)度要求和影響壓鑄的 因素共同 決 定。 傳 統(tǒng) 鋼 結(jié) 構(gòu) 車 門 內(nèi) 外 板 厚 度 基 本 在 0. 7mm~1mm,考慮到鋁合金材料屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度與 傳統(tǒng)鋼板存在差距,又有壓鑄成型時(shí)的充型問題,傳統(tǒng)外 板處壁厚暫設(shè)置0.2~0.3mm,鋁合金的密度是鋼的四分 之一,外板加厚并不會(huì)加重多少車門質(zhì)量,另外加厚車門 外板可以增加車門的剛度。 

(2)為了提高壓鑄件的強(qiáng)度和壓鑄件的流道數(shù)量,可以 考慮用粗糙度要求相對較低的地方作為加強(qiáng)筋,同時(shí)提高零 件的壓鑄參數(shù)。 此處根據(jù)模流分析結(jié)果對車門增設(shè)加強(qiáng)筋, 一方面提升車門的機(jī)械性能,另一方面可以降低壓鑄的缺 陷。 經(jīng)過綜合考慮,此處選用“#”字型加強(qiáng)筋設(shè)于車門外板 內(nèi)部與車門內(nèi)板下半部分。 具體示意圖如圖1所示。

(3) 每一處都要注意給零件留有一定的拔模角度。 

(4) 該壓鑄車門與傳統(tǒng)車門結(jié)構(gòu)大不相同,壁面之間 的連接處要設(shè)置成為圓角,一方面可以減少零件的應(yīng)力集 中的概率,另一方面圓角更加有利于壓鑄成型。 根據(jù)壓鑄 理論知識,零件避免與壁面連接處都應(yīng)設(shè)有圓角,圓角的 作用設(shè)避免應(yīng)力集中產(chǎn)生裂紋,并增加模具使用壽命;同 時(shí)有利于金屬液流動(dòng)和壓鑄件成型[4] 。 車門零件中設(shè)計(jì) 圓角依據(jù)根據(jù)壁厚h的情況計(jì)算所得。

當(dāng)h相等時(shí):R=2h,r=h. 

當(dāng)h不相等時(shí):R=0~(Rf+h2),r=0.6(h1+h2); 

其中h1<h2

3 車門剛度和模態(tài)分析 

3.1 車門有限元模型建立 首先,根據(jù)車門的設(shè)計(jì)尺寸用 CATIA 軟件建立三維 車門模型,然后將建立好的模型轉(zhuǎn)換為 STP格式導(dǎo)入到 HyperWorks當(dāng)中,隨后對其各部件進(jìn) 行 簡 化 處 理,忽 略 對整體力學(xué)性能影響較小的幾何細(xì)節(jié)。 模型導(dǎo)入 HyperWorks后,對車門進(jìn)行簡單的幾何清理,刪除多余的面,創(chuàng) 建丟失的面,合理的簡化復(fù)雜的曲面。 然后對 midsurface 對車門進(jìn)行抽取中面,用automesh功能對該中面進(jìn)行網(wǎng) 格劃分,網(wǎng)格盡量避免三角形網(wǎng)格,選quanlityindex對車 門進(jìn)行網(wǎng)格劃分和單元網(wǎng)格質(zhì)量檢測。 鉸鏈及門鎖出用 RB2剛性單元進(jìn)行鏈接,用 MapThickness命令對網(wǎng)格賦 予屬性。 對零件抽中面進(jìn)行處理后得出的中面面網(wǎng)格示 意圖如圖3所示[5] 。

3.2 材料選擇 

車門的強(qiáng)度剛度要求,車門應(yīng)該重點(diǎn)考慮材料的延展 性、抗拉強(qiáng)度、表面剛度等。 傳統(tǒng)的汽車壓鑄材料通常選 擇 以 Silafont - 36 為 首 的 合 金 ( 公 開 專 利 號: US6364970B1),這種的合金通常時(shí)需要熱處理來提高材 料的強(qiáng)度、延展率等性能。 這對于大的壓鑄件或者薄壁件 有不好的影響。 車門壓鑄是要將車門壓鑄成一體零件,車 門外板屬于2~3mm 的薄壁件,因此要選擇免熱處理合金 進(jìn)行壓鑄。 綜合考慮后本文選擇上海交通大學(xué)團(tuán)隊(duì)研發(fā) 的 A3(公開專利號:CN114411020A)為車門材料。 

近年來以特斯拉為代表的大型壓鑄企業(yè)選用成分為 Al7SiMgMn免熱處理合金進(jìn)行壓鑄,Al7SiMgMn免熱處 理合金的相對傳統(tǒng)的壓鑄材料起到了很大的積極作用,但 是該材料中Si元素含量比較低(~7wt.%),這雖然提高 了材料的延展率,但是卻對金屬的流動(dòng)性起到了負(fù)面影 響。 上海交通大學(xué)彭立明團(tuán)隊(duì)在材料中加入 V 元素對共 晶Si進(jìn)行了細(xì)化,產(chǎn)生了細(xì)小的共晶Si組織;又通過 V+ RE的復(fù)合添加得到了更加精密并散漫的共晶 Si組織,從 而在保證零件機(jī)械性能的情況下增加了流動(dòng)性。 A3材料 為 Al-Mg-Si免 熱 處 理 壓 鑄 鋁 合 金,具 有 高 強(qiáng) 度 高 韌 性,并且具有典型的薄壁效應(yīng)。 這種合金具有45-55% 的三元共晶組織,這種組織有利于澆鑄時(shí)的補(bǔ)縮。 共晶組 織中 Mg2Si微粒細(xì)小,零件的力學(xué)性能優(yōu)異[1] ,見圖4。

3.3 剛度分析 

車門的剛度分析是常用的分析方法,車門的剛度不足重則會(huì)導(dǎo)致車門無法正常工作,輕則影響用戶的使用體 驗(yàn),車門的剛度分析是設(shè)計(jì)中的重要部分。 結(jié)合車門剛度 的常用標(biāo)準(zhǔn)對該車們設(shè)計(jì)五個(gè)工況的剛度分析。 

Case1 扭轉(zhuǎn)剛度(見圖5和圖6) 

約束:鉸 鏈 出 約 束12345自 由 度;鎖 芯 出 約 束 123 自 由度。 

工況1 車門右上角25×25區(qū)域施加900N 的力;加載點(diǎn)在 外板的投影點(diǎn) Y 向位移為1.519m,目標(biāo)值為<10mm,滿 足要求,加 載 點(diǎn) 的 Y 向 剛 度 為 676N/mm, 目 標(biāo) 值 為 > 9ON/mm,滿足要求。 

工況2 加載點(diǎn)在外板的投影點(diǎn) Y 向位移為2.013mm,目標(biāo) 值為<7mm,滿足要求;加 載 點(diǎn) 的 Y 向 剛 度 為 490.7N/ mm,目標(biāo)值為>129N/mm,滿足要求。

Case2 加載剛度(見圖7) 

門鎖口位置向外施加560N 的力;目標(biāo)值 Y 向位移小 于1.5mm

Case3 垂直剛度(見圖8) 

鉸鏈處約束12345自由度,鎖芯出約束123自由度; 垂直向下施加900N 的力;目標(biāo)位移<9mm

Case4 外板帶線剛度(見圖9)

鉸鏈處約束12345自由度,鎖芯出約束123自由度; 垂直向外540N 的力;目標(biāo)<7mm

對比國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn),該車門結(jié)構(gòu)有著非常優(yōu)秀的車 門剛度,剛度對比表如表1所示。

3.4 自由模態(tài)分析 

車門的模態(tài)分析也是車門 分 析 中 的 重 要 組 成 部 分。 鉸鏈和鎖扣對車門是剛度很大的約束,但是為了避開這些 結(jié)構(gòu)特征對車門的影響,重點(diǎn)考慮車門的整體設(shè)計(jì)方案,所 以車么一般考慮用車門的自由模態(tài)預(yù)測車門的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和 動(dòng)力特征。 汽車在行駛的過程中對車門的激勵(lì)一般不會(huì)超 過30Hz。 不同的車型對車門的激勵(lì)頻率也不相同,一般的 常用標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為認(rèn)為一階頻率超過30Hz即為合格[6] 。 利用求解器求出0~100Hz內(nèi)自由前三階頻率的固有 值,如表2所示。 該車門相比與傳統(tǒng)車門外板厚度大不相 同,可以調(diào)整相應(yīng)的厚度提高車門的有需求的固有頻率 數(shù)值。

4 結(jié)語 

本文對一款現(xiàn)有的無邊框車門進(jìn)行了重新設(shè)計(jì),并根 據(jù)國家常用車門標(biāo)準(zhǔn)對車門進(jìn)行了 CAE 計(jì)算,計(jì)算結(jié)果 表明該車們有很優(yōu)秀的力學(xué)性能。 

參考文獻(xiàn): 

[1]彭立明.一種非熱處理強(qiáng)化高強(qiáng)高韌壓鑄鋁硅合金: CN114411020B[P].2022-29. 

[2]陶永亮;婁夢妮;新能源汽車銷量促進(jìn)壓鑄產(chǎn)業(yè)及一 體化壓鑄發(fā)展[J/OL].鑄造設(shè)備與工藝,2022(02): 52-55.https://doi.org/10.16666/j.cnki.issn1004- 6178.2022.02.015. 

[3]力勁集團(tuán)、鴻圖科技聯(lián)合發(fā)布12000T超大型智能壓鑄 單元[J].中國鑄造裝備與技術(shù),2022(05vo57):1. 

[4]呂志剛.鑄造手冊:第6卷[M].第4版.機(jī)械工業(yè)出 版社,2021. 

[5]許菁;史培龍;周辰雨;基于 HyperMesh的重型卡車 車門優(yōu)化[J].汽車實(shí)用技術(shù),2012(06):20-24. 

[6]董 宇 航.用 HyperWorks實(shí) 現(xiàn) 汽 車 車 門 的 優(yōu) 化 設(shè) 計(jì) [J].2007.

文章來源：內(nèi)燃機(jī)與配件