摘 要：對(duì)某新能源車型前地板后本體件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，選用密度小、原材料成本低、成型效率高的短切玻纖熱塑性復(fù)合材料（SGFRTP）替代原鋁合金材料；結(jié)合性能要求、成型工藝和裝配要求對(duì)前地板后本體件進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過(guò)加強(qiáng)筋合理布局提高結(jié)構(gòu)件整體剛性；采用連續(xù)碳纖片材（CFRP）對(duì)主要承載區(qū)域進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，并結(jié)合連續(xù)纖維補(bǔ)強(qiáng)片成型特點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)件局部結(jié)構(gòu)進(jìn)行二次優(yōu)化。使用UG軟件建模，導(dǎo)入HyperWorks中對(duì)前地板后本體典型工況進(jìn)行分析。結(jié)果表明，以SGFRTP為基材輔以CFRP局部補(bǔ)強(qiáng)的復(fù)合材料前地板后本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足性能和工藝要求，應(yīng)力安全系數(shù)高于原鋁合金地板，腳踩區(qū)與翻邊過(guò)渡處的應(yīng)力集中得到改善，同時(shí)減重10.37%，具有工程應(yīng)用價(jià)值。

1 引言

輕量化設(shè)計(jì)對(duì)汽車節(jié)能降耗、新能源汽車?yán)m(xù)航里程有重要的積極影響，汽車零部件輕量化成為近年來(lái)汽車領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［1］。汽車輕量化有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、使用輕質(zhì)材料和成型工藝優(yōu)化等方法［2-3］，在汽車結(jié)構(gòu)件上采用輕質(zhì)高強(qiáng)的復(fù)合材料代替金屬材料逐漸成為一種趨勢(shì)。熱塑性復(fù)合材料（FRTP）［4-8］是一種以熱塑性樹(shù)脂為基體、以纖維為增強(qiáng)的材料，與傳統(tǒng)的汽車材料相比，熱塑性復(fù)合材料的密度較低，且具有良好的沖擊韌性，能夠在降低整車重量的同時(shí)，有效提高汽車的使用性能［9-10］。FRTP 復(fù)合材料成型工藝簡(jiǎn)單多樣，成型效率高，便于批量化生產(chǎn)［5］。德國(guó)大眾汽車公司采用長(zhǎng)玻纖增強(qiáng)聚丙烯（LFT-PP-40LGF）復(fù)合材料后，汽車進(jìn)氣歧管的質(zhì)量降低了15%，同時(shí)提供了良好的阻尼性［11］；德國(guó)BMW 汽車公司某型車的駕駛員底座支架采用PPLGF50生產(chǎn)，提高剛性的同時(shí)減重達(dá)62%［11］；戴姆勒福萊納車型的擋泥板和保險(xiǎn)杠采用了30%長(zhǎng)纖維增強(qiáng)PP材料，解放牌某型重卡上采用40%長(zhǎng)纖維增強(qiáng)PP材料，均取得了良好的輕量化效果，同時(shí)增強(qiáng)了力學(xué)性能［12］。前地板后本體作為車廂底板重要承力結(jié)構(gòu)件，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)具有重要的工程價(jià)值。國(guó)內(nèi)某汽車公司采用碳纖維復(fù)合材料對(duì)白車身汽車地板進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足強(qiáng)度和剛度性能要求，減重效果明顯［1］，驗(yàn)證了復(fù)合材料在汽車前地板上設(shè)計(jì)應(yīng)用的可行性。本設(shè)計(jì)以某新能源車型的前地板后本體為對(duì)象，用“SGFRTP+CFRP”材料組合替代原金屬材料，即主體區(qū)域采用短切玻纖增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料（SGFRTP）代替原金屬材料，集中承載區(qū)采用碳纖維片材局部補(bǔ)強(qiáng)；結(jié)合性能要求、裝配要求及成型工藝要求，對(duì)前地板后本體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使得優(yōu)化后的復(fù)合材料地板相對(duì)于原金屬材料地板減重10%以上；使用UG軟件建立前地板后本體結(jié)構(gòu)件的幾何模型，利用HyperWorks軟件對(duì)結(jié)構(gòu)件典型工況進(jìn)行模擬，檢驗(yàn)以SGFRTP與CFRP相結(jié)合的前地板后本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可行性和輕量化效果。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化

2.1 鋁合金前地板后本體

某新能源車型中現(xiàn)有的前地板后本體材料為5052鋁合金，前地板后本體與車門兩側(cè)的支撐件及座椅下的支承板間采用焊接方式連接，與骨架和橫梁在搭邊和翻邊處采用膠鉚連接，裝配關(guān)系，如圖1 所示。鋁合金前地板后本體結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方形鈑金結(jié)構(gòu)，其長(zhǎng)度為1284mm，寬度為341mm，厚度為1.2mm；中間凸起部分為手剎區(qū)，用來(lái)裝配手剎裝置，為保證手剎區(qū)剛度，兩邊焊接了兩根鋼制加強(qiáng)筋條，具體結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

圖1 前地板后本體裝配關(guān)系
Fig.1 Assembly Relationship of Rear Body of Front Floor

圖2 鋁合金材料前地板后本體
Fig.2 Aluminum Rear Body of Front Floor

2.2 復(fù)合材料前地板后本體

性能要求方面：前地板后本體主要承受手剎安裝位置的拉扯力和腳踩區(qū)的踩踏力，因此首先要保證手剎區(qū)有足夠的剛度和強(qiáng)度性能；由于前地板后本體與下方裝配的電池包間距只有10mm，為避免前地板后本體踩踏后發(fā)生變形過(guò)大與電池組發(fā)生干涉，要保證腳踩區(qū)有足夠剛度。按照等剛度設(shè)計(jì)原則，復(fù)合材料地板手剎區(qū)受載變形量小于1mm，腳踩區(qū)受載變形量小于2mm。選材方面：結(jié)構(gòu)件主體采用SGFRTP 材料，其具有密度小、成本低、成型效率高等優(yōu)點(diǎn)。但SGFRTP 材料的模量（5.5GPa）遠(yuǎn)低于鋁合金材料（70GPa），且該結(jié)構(gòu)件屬于尺寸較大的薄殼類結(jié)構(gòu)，按照等效剛度設(shè)計(jì)原則，單純通過(guò)增加結(jié)構(gòu)件的厚度來(lái)達(dá)到與鋁制件同等性能，其厚度將非常大，不僅無(wú)法實(shí)現(xiàn)輕量化，還給裝配帶來(lái)很大難度。因此，采用“SGFRTP+CFRP”材料組合，即在結(jié)構(gòu)件主體采用SGFRTP材料的基礎(chǔ)上，對(duì)地板腳踩區(qū)、手剎區(qū)等主要承載區(qū)域進(jìn)行連續(xù)碳纖維片材補(bǔ)強(qiáng)，利用CFRP補(bǔ)強(qiáng)片的優(yōu)異性能來(lái)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)件的剛度和承載區(qū)的強(qiáng)度。為保證補(bǔ)強(qiáng)片材和主體材料的相容性，兩種材料的樹(shù)脂基體都選用聚丙烯。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面：首先保證復(fù)材地板的外廓尺寸（長(zhǎng)度和寬度）與原鋁合金結(jié)構(gòu)一致。鑒于纖維屈曲會(huì)嚴(yán)重削弱CFRP補(bǔ)強(qiáng)片材的力學(xué)性能，并對(duì)成型效果有較大影響，在設(shè)計(jì)補(bǔ)強(qiáng)片鋪設(shè)表面結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)盡可能保持纖維平直，減少結(jié)構(gòu)曲率突變帶來(lái)的纖維屈曲，結(jié)合成型工藝將前地板后本體上表面除手剎區(qū)外其他部位設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，如圖3（a）所示。同時(shí)，為避免因結(jié)構(gòu)上過(guò)小的曲率特征導(dǎo)致補(bǔ)強(qiáng)片成型缺陷，將原手剎區(qū)周邊的溝槽去掉，手剎區(qū)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)對(duì)比，如圖6所示。

圖3 復(fù)合材料前地板后本體整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
Fig.3 The Overall Structure Design of Composite Front Floor and Rear Body

圖4 簡(jiǎn)支梁撓度計(jì)算
Fig.4 Deflection Calculation of Simply Supported Beam

圖5 子區(qū)域截面尺寸
Fig.5 Section Size of Sub Region

圖6 手剎區(qū)結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)比
Fig.6 Comparison of Structural Optimization of Handbrake Area前地板后本體下表面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如圖3（b）所示。為滿足地板的承載剛度和輕量化要求，將前地板后本體的非補(bǔ)強(qiáng)區(qū)部分的厚度增加到2.4mm，并在地板背面添加十字加強(qiáng)筋與斜45°加強(qiáng)筋，如圖3（b）中的邊界安裝區(qū)所示。為增強(qiáng)補(bǔ)強(qiáng)區(qū)的整體力學(xué)性能，在補(bǔ)強(qiáng)區(qū)背面設(shè)置十字加強(qiáng)筋，通過(guò)在手剎區(qū)背面原有十字加強(qiáng)筋的基礎(chǔ)上增加±45°的加強(qiáng)筋，進(jìn)一步增強(qiáng)手剎區(qū)的局部剛度［13］，結(jié)構(gòu)如圖3（b）中的手剎安裝區(qū)所示。十字加強(qiáng)筋將地板分成若干子區(qū)域，每一子區(qū)域截面可近似等效為簡(jiǎn)支梁，如圖4所示，中間點(diǎn)C的撓度f(wàn)c為：

式中：a—簡(jiǎn)支梁一半的長(zhǎng)度；q—均布載荷；fc—C點(diǎn)撓度；Iz—慣性矩；E—材料彈性模量。由式（1）可知，長(zhǎng)度a越小，撓度f(wàn)c越小，慣性矩Iz越大，撓度f(wàn)c越小，所以為了減小地板的變形，有效的方式是減小a或者增大子區(qū)域的截面慣性矩。子區(qū)域的截面示意圖，如圖5所示。整個(gè)截面的形心C的坐標(biāo)為：

式中：h0—子區(qū)域高度；h—子區(qū)域內(nèi)表面高度；b0—子區(qū)域?qū)挾?；b—子區(qū)域內(nèi)表面寬度。整個(gè)子區(qū)域相對(duì)于形心的慣性矩計(jì)算式為：

由式（3）可知，要想增大截面慣性矩I，得增大b0、h0，同時(shí)減小b、h。為保證加強(qiáng)筋高度不高于地板背面搭邊區(qū)，加強(qiáng)筋高度為7.4mm，同時(shí)為達(dá)到輕量化目標(biāo)，加強(qiáng)筋寬度設(shè)置為1.5mm。在厚度設(shè)計(jì)時(shí)，綜合考慮成本與輕量化效果，將補(bǔ)強(qiáng)區(qū)中GFRTP材料的厚度增加到1.5mm；CFRP補(bǔ)強(qiáng)片厚度確定時(shí)，因現(xiàn)有預(yù)浸片材單層厚度為0.15mm，只需要確定鋪層數(shù)和鋪層角度。為保證多層片材自動(dòng)抓取過(guò)程中不發(fā)生散落，補(bǔ)強(qiáng)片鋪層數(shù)受機(jī)械手點(diǎn)焊最大厚度不超過(guò)1mm的尺寸限制，故補(bǔ)強(qiáng)片最大鋪設(shè)層數(shù)確定為6層，片材補(bǔ)強(qiáng)總厚度為0.9mm。鋪層角度需要根據(jù)補(bǔ)強(qiáng)片尺寸和片材寬度考慮裁剪方式，不同鋪層角度片材裁剪方式，如圖7所示。從圖中可以看出，代表（±45）°方向鋪層（①號(hào)和②號(hào)）裁剪時(shí)造成周邊材料的浪費(fèi)，應(yīng)優(yōu)先選用0°（④號(hào)和⑤號(hào)）和90°鋪層（③號(hào)和⑥號(hào)），綜合考慮性能和成本，最終選定6層片材的鋪層為［90°/0°/90°/0°/90°/0°］。不同區(qū)域的位置及尺寸關(guān)系，如圖8（a）所示。補(bǔ)強(qiáng)片的鋪層順序，如圖8（b）所示。其中，鋪層0°方向?qū)?yīng)結(jié)構(gòu)件長(zhǎng)度方向，90°方向?qū)?yīng)結(jié)構(gòu)件寬度方向。

圖7 不同角度鋪層裁剪示意圖
Fig.7 Schematic Diagram of Laying Cutting at Different Angles

圖8 不同區(qū)域材料分布方式
Fig.8 Material Distribution in Different Area成型工藝層面：在模壓成型過(guò)程中，為避免應(yīng)力集中和方便脫模，在前地板后本體腳踩區(qū)與搭邊區(qū)連接處倒圓角，如圖9（a）所示。A、B 處半徑分別為5mm 和3mm，將加強(qiáng)筋邊倒半徑1mm的圓角并設(shè)置2°的拔模斜度，如圖9（b）所示。

圖9 倒角和拔模處理
Fig.9 Chamfering and Draft Processing

3 有限元建模及仿真

采用UG三維軟件建立前地板后本體的幾何模型，再以STP格式將幾何模型導(dǎo)入HyperWorks有限元分析軟件。

3.1 模型處理及網(wǎng)格劃分

在劃分網(wǎng)格前，需要對(duì)模型抽取中面并進(jìn)行幾何清理以保證網(wǎng)格劃分的質(zhì)量，地板的上下表面與翻邊過(guò)渡處有半徑較小的圓角，在有限元分析中，這些尺寸較小且對(duì)工況分析影響不大的特征，會(huì)給網(wǎng)格劃分帶來(lái)麻煩，不僅會(huì)增加網(wǎng)格的夾克比，還會(huì)降低該區(qū)域的網(wǎng)格質(zhì)量，從而降低分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此，對(duì)這些不太重要的細(xì)小特征進(jìn)行簡(jiǎn)化。簡(jiǎn)化前后，如圖10所示。

圖10 前地板后本體細(xì)小特征的幾何清理
Fig.10 Geometric Cleaning of Fine Features of Rear Body of Front Floor考慮地板的各種工況及模型特征，網(wǎng)格劃分采用二維片體單元網(wǎng)格，考慮地板的尺寸大小及計(jì)算機(jī)的性能，原鋁合金地板有限元模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為5mm，優(yōu)化后的復(fù)合材料地板有限元模型的網(wǎng)格尺寸設(shè)置為8mm。相比于鋁合金模型，優(yōu)化后模型的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)和單元數(shù)均大幅下降。不同材料的地板有限元模型，如圖11所示。

圖11 不同材料的地板有限元模型
Fig.11 Finite Element Model of Floor with Different Materials

3.2 材料屬性定義

網(wǎng)格劃分完成后，對(duì)零件賦予材料屬性，優(yōu)化前的地板賦予鋁合金材料，設(shè)計(jì)后的地板未補(bǔ)強(qiáng)區(qū)賦予熱塑性短玻纖復(fù)合材料，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)賦予碳纖維復(fù)合材料。三種材料的屬性［14-15］，如表1所示。表1 三種材料的力學(xué)性能
Tab.1 Mechanical Properties of Three Materials

3.3 工況載荷

前地板后本體腳踩區(qū)的受力主要來(lái)自乘車人，手剎區(qū)的受力主要來(lái)自于剎車時(shí)的手剎裝置。通過(guò)點(diǎn)焊將地板四周與其他部件連接，起到約束作用，約束寬度為10mm，在垂直于地板手剎區(qū)下表面方向施加100N的壓力，相當(dāng)于施加（3.30×10-2）MPa的面載荷，載荷施加情況，如圖12（a）所示。在模擬腳踩區(qū)承受50kg踩踏力變形情況時(shí)，垂直于地板腳踩區(qū)法面施加490N的壓力（面載荷（5.44×10-3）MPa），腳踩區(qū)承載范圍取（300×300）mm。載荷施加情況，如圖12（b）、圖12（c）所示。典型工況下地板載荷施加情況，如表2所示。表2 兩種工況載荷的施加
Tab.2 The Application of Two Operating Loads

注：Z方向是指垂直于地板底面的方向。

圖12 前地板后本體加載示意圖
Fig.12 Loading Schematic Diagram of Rear Body of Front Floor

4 仿真結(jié)果分析

通過(guò)軟件自帶的HyperView 功能，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行查看處理，得到各工況下的應(yīng)力、變形分布云圖，對(duì)其進(jìn)行分析。

4.1 手剎區(qū)

前地板后本體手剎區(qū)受載工況下的仿真結(jié)果，如圖13、圖14所示。由圖13 可見(jiàn)，5052鋁材料的前地板后本體的最大變形為0.73mm，復(fù)合材料前地板后本體的最大變形為0.99mm，優(yōu)化后的地板在手剎區(qū)受載工況下的變形滿足最大變形量小于1mm的設(shè)計(jì)要求。

圖13 手剎區(qū)變形云圖
Fig.13 Nephogram of Handbrake Zone Deformation

圖14 手剎區(qū)應(yīng)力云圖
Fig.14 Stress Nephogram of Hand Brake Zone由圖14可以看出，優(yōu)化前后的地板在手剎區(qū)受載后，應(yīng)力主要集中在手剎區(qū)的小孔處以及手剎區(qū)和兩邊平面的過(guò)渡連接處。5052 鋁地板的最大應(yīng)力為48.14MPa，小于5052 鋁材料的屈服強(qiáng)度，復(fù)材地板的最大應(yīng)力為20.57MPa，遠(yuǎn)小于CFRP材料的破壞強(qiáng)度。

4.2 腳踩區(qū)

前地板后本體腳踩區(qū)受載工況下的仿真結(jié)果，如圖15、圖16所示。由圖15可見(jiàn)，5052鋁材料的前地板后本體的最大變形為2.13mm，復(fù)合材料前地板后本體的最大變形為1.52mm，比鋁制地板變形量下降了28.64%，說(shuō)明復(fù)合材料前地板后本體腳踩區(qū)的剛度優(yōu)于原鋁合金件。

圖15 腳踩區(qū)變形云圖
Fig.15 Deformation Nephogram of Foot Trampling Area under Loading由圖16可以看出，優(yōu)化前的地板在腳踩區(qū)受載后，應(yīng)力主要集中在腳踩區(qū)的上下兩邊，優(yōu)化后的地板應(yīng)力主要集中在腳踩區(qū)中間區(qū)域且應(yīng)力分布更加均勻。其中，5052鋁地板的最大應(yīng)力為156.90MPa，小于5052鋁材料的屈服強(qiáng)度；復(fù)合材料地板的最大應(yīng)力為24.13MPa，遠(yuǎn)低于CFRP材料的破壞強(qiáng)度，所以此設(shè)計(jì)安全可靠。

圖16 腳踩區(qū)應(yīng)力云圖
Fig.16 Stress Nephogram of Pedal Area under Loading

4.3 仿真結(jié)果對(duì)比

前地板后本體在手剎區(qū)受載、腳踩區(qū)受載兩種工況下的分析結(jié)果，如表3所示。從優(yōu)化前后的應(yīng)力對(duì)比來(lái)看，兩種工況下復(fù)合材料地板的安全系數(shù)遠(yuǎn)高于5052鋁材料的地板，這表明優(yōu)化后的前地板后本體的強(qiáng)度得到大幅提高，滿足設(shè)計(jì)要求；在變形方面，優(yōu)化后的前地板后本體在手剎區(qū)受載和腳踩區(qū)受載兩種工況下的變形量都很小，滿足剛度設(shè)計(jì)要求；從優(yōu)化前后的地板質(zhì)量對(duì)比可見(jiàn)，復(fù)合材料地板質(zhì)量比5052 鋁地板質(zhì)量降低了10.37%，有輕量化效果。綜上所述，本設(shè)計(jì)充分運(yùn)用了連續(xù)碳纖維材料高強(qiáng)度、高模量的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)的玻纖加局部碳纖維補(bǔ)強(qiáng)地板性能安全可靠，實(shí)現(xiàn)了輕量化設(shè)計(jì)目標(biāo)。表3 優(yōu)化前后地板分析結(jié)果對(duì)比表
Tab.3 Comparisons of Floor Analysis Results before and after Optimization

注：由于碳纖維片材承受主要載荷，*安全系數(shù)是按照碳纖維復(fù)合材料的破壞強(qiáng)度計(jì)算得出。

5 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用復(fù)合材料代替原5052鋁合金材料，結(jié)合性能、裝配和成型工藝要求，對(duì)前地板后本體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)和優(yōu)化，檢驗(yàn)典型工況下結(jié)構(gòu)件的力學(xué)性能，得出以下結(jié)論：（1）保持前地板后本體外廓尺寸不變，將地板分為非補(bǔ)強(qiáng)區(qū)和補(bǔ)強(qiáng)區(qū)兩部分，非補(bǔ)強(qiáng)區(qū)采用SGFRTP材料代替原鋁合金材料，補(bǔ)強(qiáng)區(qū)采用“SGFRTP+CFRP”材料組合；將地板上表面除手剎區(qū)外其他部位設(shè)計(jì)為平面結(jié)構(gòu)，地板背面設(shè)置網(wǎng)格狀加強(qiáng)筋，優(yōu)化重要承載區(qū)的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)和布局；考慮成本問(wèn)題，優(yōu)化片材補(bǔ)強(qiáng)的鋪層選擇；考慮相容性和成型工藝性，進(jìn)行倒角和拔模斜度設(shè)計(jì)。（2）對(duì)前地板后本體典型工況進(jìn)行仿真分析，復(fù)合材料前地板后本體手剎區(qū)和腳踩區(qū)均滿足性能要求，應(yīng)力安全系數(shù)高于原鋁合金地板，腳踩區(qū)與翻邊過(guò)渡處的應(yīng)力集中得到改善，同時(shí)減重10.37%。（3）相對(duì)于原鋁合金地板，復(fù)合材料地板使用了成本低、成型效率高的SGFRTP材料，便于大批量生產(chǎn)，從材料發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景看，前地板后本體采用短切玻纖和連續(xù)碳纖維材料具有前瞻意識(shí)，對(duì)后續(xù)前地板后本體的設(shè)計(jì)優(yōu)化具有一定的參考價(jià)值。

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