压铸车门设计新视角：设计与仿真并行

摘 要:

本文以一款现有无边框车门的结构进行重新设计,保留车门外板的外形和内板,用 CATIA 进行设 计,根据压铸特征对车门进行重新设计。根据车门强度刚度要求选用上海交通大学合金中心彭立明教授研发专利 免热处理材料作为压铸材料[1]。根据 CATIA 的逆向扫描提取出车门曲面,重新设计后将数模导入 HyperWorks 对模型进行处理并划分网格,用 HyperWorks自带的 Optistruct求解器对车门的刚度、和模态分析进行求解,结果 表明该车与传统的冲压车门相比门力学性能得到了极大的提高。

关键词:HyperWorks;CATIA;模态分析;刚度分析

0 前言

车门汽车覆盖件中的重要组成部分,传统的车门制造 技术对材料有限制,生产效率低,磨具开发时间长。 为了 提高生产效率及减轻车门的重量,本文利用压铸技术对车 门进行设计仿真分析。 压铸技术现发展已经比较成熟,铸 造的种类有很多种,比如压力铸造、真空铸造、消失模铸 造、反重力铸造、挤压铸造、离心铸造等多种加工方式,根 据零件的不同特征可以选用不同的加工工艺生产。 随着 压铸机械和压铸材料在近几年取得的重大发展,压铸这一 制造工艺的优点收到人们的青睐。 在2008年就已经有企 业开始采用铸造的加工工艺,但是由于当时材料和设备的 限制,铸造一直没有得到发展。 在德国所斯特生产 的 尼 桑,运用真空压铸技术生产出了面积为0.5m2 的零件,壁 厚仅为0.2~0.3mm,实现了减重30%。

1 研究现状

压铸的材料和设备现已比较成熟,在2020年特斯拉 的6000t举行压铸机已经投入生产,并将车身后部底板的 七十多个零部件制造成一体部件,极大的提高了生产效率 并且降低了成本,同时也对汽车的轻量化起到了积极的作 用。 国内多家企业在压铸机器和材料上做了大量的研究, 2022年1月,广东鸿图科技股份有限公司6800t的巨型压 铸机也投入生产,并且该公司12000t的巨型压铸机正在 投入生产[2] 。 国外的意德拉集团、瑞士布勒集团也生产出 6000t~7000t级别的压铸设备。 这对压铸的生产起到了 极大的促进作用,有了这些重型机械,真空条件、冲头速 度、压铸力、锁模力等等这些条件基本能够满足。 在大型 一体零件的工艺中,传统的压铸铝合金材料已经不再能满 足工程师的设计要求[3] 。

大型一体零件的面积大,热处理这种工艺很容易造成零 件表面形成缺陷,虽然可以通过处理减轻热处理带来的负面 影响,但是还是对零件的生产造成损失,增加了制造成本,并 且有较大的风险。 所以在一体化的压铸大型零件生产中更 加偏好于免热处理的铝合金。 目前的国内有多家学校和企 业对免热处理的铝合金进行了大量的研究。 早在2008年, 美国铝业公司就开发出560免热处理铸造铝合金,并且560 铝合金已经应用于日产 GT-R的车门中;2015年,美国铝业 公司发布了四款新型压铸铝合金产品 SupraCast、EZCast、 VersaCast、EverCast;在2019年又升级为 EZCast-NHT合金。 上海交通大学轻合金中心丁文江院士、彭立明教授团队,也 开发出了JDA1和JDA2两种类型的免热处理铝合金,其中 JDA1类型中有适用于车架、支架等受力零件的材料,也有适 用于电机壳体等高强要求铸件的材料;JDA2系的材料主要 应用于高强高韧的零件,并且该零件具有薄壁效应,适合车 身的薄壁零件制造。 该集团解决了国外一些铝合金由于硅 含量比较低而产生的流动性较差的问题,极大程度上降低了 压住零件报废的问题。 国内还有许多企业也对铝合金性能的研究有了一定程度上的突破,瑞格金属、永茂泰等公司也 在积极研发并申请专利[1] 。

2 车门设计

本文是对一款现有车门进行重新设计,通过扫描车门 内外板完整结构得到车门的点云图,然后经过 CATIA 处 理得到该车门原有的曲面特征。 根据车门的设计要求及 大型压铸件的设计要求,对曲面进行重新设计。

1) 根据铝合金压铸件特征,薄壁件会提高零件的强 度,但是壁件的厚度太小会对压铸成型的过程造成负面影 响,因此外板的壁厚要根据车门的强度要求和影响压铸的 因素共同 决 定。 传 统 钢 结 构 车 门 内 外 板 厚 度 基 本 在 0. 7mm~1mm,考虑到铝合金材料屈服强度和抗拉强度与 传统钢板存在差距,又有压铸成型时的充型问题,传统外 板处壁厚暂设置0.2~0.3mm,铝合金的密度是钢的四分 之一,外板加厚并不会加重多少车门质量,另外加厚车门 外板可以增加车门的刚度。

2)为了提高压铸件的强度和压铸件的流道数量,可以 考虑用粗糙度要求相对较低的地方作为加强筋,同时提高零 件的压铸参数。 此处根据模流分析结果对车门增设加强筋, 一方面提升车门的机械性能,另一方面可以降低压铸的缺 陷。 经过综合考虑,此处选用“#”字型加强筋设于车门外板 内部与车门内板下半部分。 具体示意图如图1所示。

3) 每一处都要注意给零件留有一定的拔模角度。

4) 该压铸车门与传统车门结构大不相同,壁面之间 的连接处要设置成为圆角,一方面可以减少零件的应力集 中的概率,另一方面圆角更加有利于压铸成型。 根据压铸 理论知识,零件避免与壁面连接处都应设有圆角,圆角的 作用设避免应力集中产生裂纹,并增加模具使用寿命;同 时有利于金属液流动和压铸件成型[4] 。 车门零件中设计 圆角依据根据壁厚h的情况计算所得。

当h相等时:R=2h,r=h.

当h不相等时:R=0~(Rf+h2),r=0.6(h1+h2);

其中h1<h2

3 车门刚度和模态分析

3.1 车门有限元模型建立

首先,根据车门的设计尺寸用 CATIA 软件建立三维 车门模型,然后将建立好的模型转换为 STP格式导入到 HyperWorks当中,随后对其各部件进 行 简 化 处 理,忽 略 对整体力学性能影响较小的几何细节。 模型导入 HyperWorks后,对车门进行简单的几何清理,删除多余的面,创 建丢失的面,合理的简化复杂的曲面。 然后对 midsurface 对车门进行抽取中面,用automesh功能对该中面进行网 格划分,网格尽量避免三角形网格,选quanlityindex对车 门进行网格划分和单元网格质量检测。 铰链及门锁出用 RB2刚性单元进行链接,用 MapThickness命令对网格赋 予属性。 对零件抽中面进行处理后得出的中面面网格示 意图如图3所示[5] 。

3.2 材料选择

车门的强度刚度要求,车门应该重点考虑材料的延展 性、抗拉强度、表面刚度等。 传统的汽车压铸材料通常选 择 以 Silafont - 36 为 首 的 合 金 ( 公 开 专 利 号: US6364970B1),这种的合金通常时需要热处理来提高材 料的强度、延展率等性能。 这对于大的压铸件或者薄壁件 有不好的影响。 车门压铸是要将车门压铸成一体零件,车 门外板属于2~3mm 的薄壁件,因此要选择免热处理合金 进行压铸。 综合考虑后本文选择上海交通大学团队研发 的 A3(公开专利号:CN114411020A)为车门材料。

近年来以特斯拉为代表的大型压铸企业选用成分为 Al7SiMgMn免热处理合金进行压铸,Al7SiMgMn免热处 理合金的相对传统的压铸材料起到了很大的积极作用,但 是该材料中Si元素含量比较低(~7wt.%),这虽然提高 了材料的延展率,但是却对金属的流动性起到了负面影 响。 上海交通大学彭立明团队在材料中加入 V 元素对共 晶Si进行了细化,产生了细小的共晶Si组织;又通过 V+ RE的复合添加得到了更加精密并散漫的共晶 Si组织,从 而在保证零件机械性能的情况下增加了流动性。 A3材料 为 Al-Mg-Si免 热 处 理 压 铸 铝 合 金,具 有 高 强 度 高 韧 性,并且具有典型的薄壁效应。 这种合金具有45-55% 的三元共晶组织,这种组织有利于浇铸时的补缩。 共晶组 织中 Mg2Si微粒细小,零件的力学性能优异[1] ,见图4。

3.3 刚度分析

车门的刚度分析是常用的分析方法,车门的刚度不足重则会导致车门无法正常工作,轻则影响用户的使用体 验,车门的刚度分析是设计中的重要部分。 结合车门刚度 的常用标准对该车们设计五个工况的刚度分析。

Case1 扭转刚度(见图5和图6)

约束:铰 链 出 约 束12345自 由 度;锁 芯 出 约 束 123 自 由度。

工况1 车门右上角25×25区域施加900N 的力;加载点在 外板的投影点 Y 向位移为1.519m,目标值为<10mm,满 足要求,加 载 点 的 Y 向 刚 度 为 676N/mm, 目 标 值 为 > 9ON/mm,满足要求。

工况2 加载点在外板的投影点 Y 向位移为2.013mm,目标 值为<7mm,满足要求;加 载 点 的 Y 向 刚 度 为 490.7N/ mm,目标值为>129N/mm,满足要求。

Case2 加载刚度(见图7)

门锁口位置向外施加560N 的力;目标值 Y 向位移小 于1.5mm

Case3 垂直刚度(见图8)

铰链处约束12345自由度,锁芯出约束123自由度; 垂直向下施加900N 的力;目标位移<9mm

Case4 外板带线刚度(见图9)

铰链处约束12345自由度,锁芯出约束123自由度; 垂直向外540N 的力;目标<7mm

对比国家行业标准,该车门结构有着非常优秀的车 门刚度,刚度对比表如表1所示。

3.4 自由模态分析

车门的模态分析也是车门 分 析 中 的 重 要 组 成 部 分。 铰链和锁扣对车门是刚度很大的约束,但是为了避开这些 结构特征对车门的影响,重点考虑车门的整体设计方案,所 以车么一般考虑用车门的自由模态预测车门的复杂结构和 动力特征。 汽车在行驶的过程中对车门的激励一般不会超 过30Hz。 不同的车型对车门的激励频率也不相同,一般的 常用标准认为认为一阶频率超过30Hz即为合格[6] 。 利用求解器求出0~100Hz内自由前三阶频率的固有 值,如表2所示。 该车门相比与传统车门外板厚度大不相 同,可以调整相应的厚度提高车门的有需求的固有频率 数值。

4 结语

本文对一款现有的无边框车门进行了重新设计,并根 据国家常用车门标准对车门进行了 CAE 计算,计算结果 表明该车们有很优秀的力学性能。

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