汽车塑料翼子板的发展及其关键技术探析
摘要：翼子板是汽车白车身中重要的覆盖件，安装在汽车轮毂的外侧，分为前、后翼子板两部分。翼子板的结构和外形设计不仅要考虑到材料、成本和成型工艺等问题，还需要使其满足空气动力学的要求。塑料翼子板的工艺性与使用性能都比较优越，以塑料翼子板取代传统金属材料的翼子板已成为汽车轻量化发展的趋势之一。在简述了塑料翼子板的使用现状的基础上，分析了其优点并提出了材料和成型工艺，分析了模块化翼子板装配过程和要求。以碳纤维增强塑料(CFRP)翼子板为例，对其结构进行了优化，基于有限元理论对CFRP翼子板的使用性能进行了仿真。
关键词：塑料翼子板;装配分析;结构设计;性能仿真
从结构和成型工艺上看，翼子板属于钣金类零件，翼子板与车身的装配关系受到较多条件的约束，装配的要求也比较高。为了减小汽车行驶过程中的空气阻力，也使整车设计更加美观、协调，翼子板的表面形状往往由较为复杂的线条和空间自由曲面组合而成。考虑到翼子板复杂的表面形状、表面平整度、流畅和光顺性以及它的成型与装配工艺等基本设计要素，翼子板的设计工作成为了横跨工业设计、空气动力学、制造工艺学和材料的非线性弹塑性变形理论等多学科的综合与优化问题。
目前，国际上大部分零配件制造商所采用的汽车翼子板材料包括低碳钢、铝镁合金和塑料。低碳钢是传统汽车白车身的重要组成材料，其加工和制造工艺都比较成熟和稳定。基于减轻整车整备质量和节能减排的考虑，国内外学者们提出了以镁铝合金或塑料代替低碳钢制造汽车白车身。但是，镁铝合金钣金件的成形工艺要求较高，而汽车钣金件的形状又比较复杂。因此，以镁铝合金作为白车身的主要材料的经济效益较差。相比于镁铝合金，塑料的成形工艺已经成熟，尤其是在结构复杂零件成形中，塑料更是占有相当大的优势。
1 塑料翼子板使用现状
塑料翼子板材料主要有尼龙(PA)/聚苯醚(PPO)复合材料、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)/玻璃纤维(GF)复合材料和热塑性聚烯烃(TPO)/碳纤维(CF)复合材料三类，部分厂商已经使用这三种材料制造的翼子板代替了传统金属钣金结构。国内塑料翼子板的制造和应用都处于初级阶段，虽然其成型技术并不复杂，国内汽车零配件制造厂商也具有将塑料翼子板国产化的能力，但厂商和消费者对其认识度不够，塑料翼子板的市场前景也不被大众所看好，这导致了塑料翼子板的推广和普及工作较难。相比于传统金属钣金结构，塑料翼子板具有以下不可替代的优点:
(1)塑料翼子板的质量比相同大小的金属翼子板轻45%以上，有利于整车整备质量的减小，进而有利于降低汽车行驶时的油耗，更加满足国际上提出的节能减排的要求;
(2)塑料翼子板的装配精度要求更低，互换性和协调性更好。与其他汽车零部件(如保险杠支架)组成模块后可以直接装配在车身上，在提高了整车装配精度的同时减少了装配时的工作量，提高了车身的装配效率;
(3)塑料翼子板成型模具的制造成本远低于钣金类的冲压模具，整车塑料件数量的增加有利于模具制造成本的降低;
(4)塑料材料的弹性模量更大，抵抗冲击载荷的能力比金属材料更强，安全性更好;
(5)塑料材料的成型难度更低，在结构复杂、曲面光顺性和平整度要求较高时，塑料材料的可塑性和造型自由度比金属材料更强;
(6)塑料材料的耐腐蚀性比金属材料更强，受到轻微的撞击力时不容易发生变形，塑料件维护的成本也更低。
2 塑料翼子板设计与装配要求
2.1 材料及工艺选择
根据塑料翼子板制造所用的材料不同，其成型方法包括SMC模压成型和注塑成型两种。热固性树脂/玻璃纤维复合材料的塑料翼子板比较适合使用SMC模压成型工艺，喷涂工艺大多选择Offline工艺。SMC模压成型工艺获得的塑料翼子板的表面平整度很难控制，废弃的玻璃纤维复合材料翼子板也无法回收，故该工艺在国外的部分车型中已经停止使用，但我国并没有引入该技术作为塑料翼子板的主要成型工艺。PA/PPO复合材料的塑料翼子板可以选用注塑成型工艺和Online喷涂工艺，注塑成型工艺的稳定性比SMC模压成型工艺更好。
2.2 塑料翼子板模块化装配分析
塑料翼子板与前保险杠支架的模块化设计不仅为零部件的装配提供了极大的方便，也在一定程度上提高了装配精度，减小了装配时的工作量。模块化塑料翼子板的装配要求如下:
(1)塑料翼子板定位系统决定了装配精度的大小、装配工艺流程的合理性和模块化结构装配时的可达性。如图1a所示，翼子板的Z方向定位基准为Z1，X方向定位基准为X1，Y方向的定位基准为面基准，定位面分别为Y1、Y2、Y3、Y4和Y5，其中Y1、Y3和Y4为主定位基准，定位中起到了确定基准面的作用，Y2和Y5为辅助基准，用于定位后精度的检测。虽然由Y1、Y2、Y3、Y4和Y5确定基准面的过程中存在过定位的现象，但可以保证翼子板的承力点足够多，结构也更加稳定;
(2)翼子板与前保险杠支架的集成模块与保险杠间的配合对面差和配合间隙要求较高。图1b为模块与保险杠的配合处结构，其中，翼子板上的圆柱凸台-Y6和-Y8分别与保险杠上的定位孔进行配合，保险杠边缘与支架上的卡槽+Y7接触，以上两种配合方式共同决定了翼子板与前保险杠支架模块的Y方向定位精度，支架的卡槽与保险杠边缘的配合精度决定了模块安装时的面差;
(3)图1c为翼子板与A柱和前门的间隙配合要求，该要求对于汽车的外观影响较大。其中，孔X2作为翼子板装配时X方向上的定位基准，Y9、Y10和Y11确定了翼子板与配合零部件之间的面差;
(4)图1d为翼子板与前大灯的间隙配合要求，Y12、Y13和Y14共同确定了Y方向上的定位基准，控制了前大灯与翼子板在Y方向上的相对位置，X3位前大灯在X方向上的定位基准，+Z2在Z方向上对前大灯其固定作用。
3 碳纤维增强塑料(CFRP)翼子板的结构设计与性能仿真
与金属材料不同，碳纤维属于各向异性材料，这使得碳纤维复合材料的结构参数对于CFRP翼子板成型后的性能有较大影响。因此，CFRP翼子板的设计参数由整体结构、厚度和碳纤维的铺层方式等组成。设计前，需要对CFRP零件的性能要求和使用工况进行确定，根据具体的工况(工作载荷、温度和紫外线强度等环境因素)和性能要求(强度、刚性和模态等)合理地选择CFRP材料的配比和加工工艺并确定初步的设计方案。CFRP材料的各向异性和厚度的离散性使得CFRP零件的结构设计工作比较复杂，以有限元理论为基础对CFRP翼子板进行性能仿真和参数优化可以在较短的工时内对翼子板的设计方案进行不断改进，最终可以获得与设计要求相符的CFRP翼子板。
3.1 碳纤维增强塑料(CFRP)翼子板结构设计
传统汽车钣金件的设计方法分为正向设计和等代设计两类，其主要区别在于设计时零件的性能要求是否已经确定。等代设计多用于汽车塑料化和轻量化工艺优化和改进中，即以塑料及复合材料零件代替传统金属钣金件时，按照两者强度和刚性相等的原则设计塑料及复合材料零件的结构。由于金属钣金件的材料大多为各向同性材料，这要求以等代设计的塑料及复合材料零件也要尽量满足各向同性原则。正向设计根据零件的仿真结果对零件的结构进行不断的优化，直到可以满足所有的性能要求，正向设计过程中，零件的性能要求是确定的。根据上述分析，本文对传统低碳钢材料的翼子板进行了强度和刚性校核，发现其强度和刚性不能满足现有的性能要求，故选择正向设计方法并结合有限元理论对CFRP翼子板的结构重新进行设计。
在Catia软件自由曲面设计环境中建立翼子板的曲面形状，沿翼子板曲面的法向方向进行加厚处理，获得翼子板零件。为了提高CFRP翼子板上曲线的光顺性和承载能力，将传统钣金结构中不连续的装配点连接起来，改进后的CFRP翼子板装配点的结构如图2a、b所示。传统金属翼子板的过度圆角处半径比较小，改用CFRP材料后为防止应力集中使碳纤维结构发生断裂，去除了翼子板凸缘，改进后的结构如图2c所示。为了使CFRP翼子板的制造工艺更加简洁，翼子板部分装配点单独成型并通过胶接的形式与翼子板主体连接，其结构如图2d所示。将设计完成的翼子板的装配点与主体连接，得到了满足初步设计要求的CFRP翼子板数字模型，翼子板的初始厚度为4.18mm，利用有限元理论对其进行仿真分析和性能校核。
3.2 碳纤维增强塑料(CFRP)翼子板结构性能仿真
CFRP翼子板在正常工作过程中承受的载荷多为静态载荷，只有在汽车发生碰撞时会受到来自各个方向的冲击载荷。由于汽车碰撞时传递至翼子板的载荷比较复杂，仿真中将工作载荷进行了简化并对其结构进行静应力分析。选取壳单元进行建模并利用Hy-perMesh对数字模型进行网格划分，网格单元尺寸为5mm，网格形状为四面体网格，将划分好网格的翼子板模型导入ABAQUS静态分析环境中。按照表1的CFRP力学性能，在材料库中定义仿真中CFRP翼子板材料的本构模型。CFRP翼子板的性能要求如下:(1)翼子板外板的初始刚度≥30N/mm，受到垂直于翼子板的220N冲击载荷后变形小于7.5mm;(2)抗凹性———受到垂直于翼子板的150N工作载荷持续作用后永久变形小于0.15mm;(3)翼尖刚度要求大于50N/mm。将性能要求中的工作载荷按作用性质不同分别作为仿真的初始条件，计算CFRP翼子板的变形量。
3.3 仿真结果分析
在CFRP翼子板的刚度和抗凹性仿真中，以直径为25.4mm的圆球刚体模型为施力结构，将该刚体模型加载到翼子板受力后的危险区域—中间最大无支撑区域，定义翼子板外板与圆球刚体模型表面的接触摩擦因数为0.3，图3为仿真后得到的刚度和抗凹性变形云图。将初始载荷30N通过圆球刚体作用于翼子板危险区域上时(图3d)，翼子板的最大变形量0.1209mm<1mm。将冲击载荷220N作用于翼子板的危险区域时(图3c)，翼子板的最大变形量0.8864mm<1mm。将150N的工作载荷持续作用在翼子板上(图3d)，最大应力为14.98MPa，最大弹性变形量为0.6043mm，没有不可恢复的塑性变形产生，故满足CFRP翼子板外板的刚度和抗凹性的性能要求。如图4所示，在上翼尖(图4b)、前翼尖(图4c)和下翼尖(图4d)分别加载了50N的工作载荷后，其最大变形量分别为0.05444、0.01334、0.02mm，远小于性能要求中的1mm，故满足翼尖刚度要求。
4 结论
1)塑料翼子板具有质量轻、成本低、成型工艺简单和耐腐蚀性好等特点，是汽车材料轻量化设计的主要发展方向。
2)塑料翼子板的关键技术在于翼子板的装配设计，即翼子板设计的公差范围应该满足装配要求，翼子板与前保险杠支架组成的集成模块有利于提高翼子板模块的安装精度，减少装配时的工作量。
3)利用正向设计获得的CFRP翼子板满足其使用性能要求，该翼子板的设计和优化过程也适用于汽车轻量化设计中其他零件的设计与改进工作。
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