铝合金发动机罩盖的优化设计

付燕鹏 叶瑜合 谭敦松

摘 要：文章以汽车轻量化材料铝合金板材为例，通过铝合金板材在发盖上应用环境条件的讨论，明确铝合金发盖的研究的意义。并通过铝合金和传统钢制板材的材料参数对比研究，从发盖扭转刚度、抗凹性、模态、强度、行人保护等性能角度详细剖析了铝合金发盖的设计要点和目标，总结关键影响因素并提出了一套综合优化方案，为初始阶段的铝合金发盖设计提供了一套可借鉴的方法。

关键词：铝合金发盖；扭转刚度；抗凹性；模态；强度；行人保护

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-107-04

Abstract： In this paper， discuss the aluminum alloy plate in the application of environmental conditions on the hood and understand its significance. Based on the comparison of the material parameters of aluminum alloy and traditional steel sheet， the design points and objectives of aluminum hood are analyzed in detail from the aspects of torsion stiffness， dent resistance， modal， strength and pedestrian protection. Influencing factors and put forward a set of comprehensive optimization scheme. For the initial stage of the aluminum hood design to provide a set of methods can be used.

Keywords： aluminum hood； torsion stiffness； dent resistance； modal； strength； pedestrian protection

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-107-04

引言

隨着全球汽车保有量的不断增多和汽车工业的发展，全球能源危机和环境污染的日益严重，因此对汽车节能减排的要求也不断提高。据统计，汽车重量每减轻10%，油耗可降低6%-8%，减排4%。汽车轻量化是汽车节能减排的重要措施，也是未来世界汽车发展的必然趋势。

汽车轻量化设计主要有2种方式：（1）设计更加合理的结构，从而避免过设计；（2）采用新材料替换原有传统材料，通常采用铝合金、镁合金、复合材料等轻型材料或高轻度刚替代普通低碳钢提高性能，减轻重量[1]。

本文通过铝合金板材在发盖上应用环境条件的讨论，明确铝合金发盖的研究的意义。并通过铝合金和传统钢制板材的材料参数对比研究，从发盖扭转刚度、抗凹性、模态、强度、行人保护等性能角度详细剖析了铝合金发盖的设计要点和目标，总结关键影响因素并提出了一套综合优化方案，为初始阶段的铝合金发盖设计提供了一套可借鉴的方法。

1 铝合金发盖的设计环境

在整车汽车市场上，铝合金在车身上的运用越来越普遍。发盖作为轿车前部的典型外覆盖件。由于其大部分性能需求都属于刚度类，行人保护又给发盖创造了大量设计空间，所以可以弥补铝合金弹性模量不足的缺陷，相对轻松的达到发盖的性能要求。同时，发盖还有以下特点：发盖在前碰中不是传力路径，强度要求低；发盖上配重较少，自身结构对模态起主要作用；发盖材料利用率高，减重成本；主机厂往往有改善前后悬配重的需求等等……。发盖系统的诸多特点，为铝合金板材的运用提供了更低成本、更轻松的应用环境。

2 铝合金发盖的结构设计与性能

2.1 材料参数对比

将常用钢制发盖内外板材料（DC05、H180Y）和铝合金发盖内外板材料（5182、6021）对比发现：铝合金最大优势在于密度小；而最大的不足在于弹性模量低、成型性差，详见表1。

弹性模量和零件刚度有关，例如，拉伸和压缩刚度为EA，其中E为弹性模量，A为截面面积。弯曲刚度为EI，其中E为弹性模量，I为截面惯性矩。所以在结构类似的情况下，选用弹性模量小的铝合金材料将导致发盖刚度类的性能都下降，抵抗荷载作用下的变形能力也变差。下文将通过铝制发盖（内板5182，料厚0.9mm；外板6021，料厚1.0mm）替换钢制发盖（内板DC05，外板H180Y，料厚均为0.7mm），从扭转刚度、抗凹性、模态、强度和行人保护方面综合论述铝合金对发盖性能的影响，提出结构设计的优化方向。

2.2 结构设计与扭转刚度

发盖的扭转刚度是约束发盖铰链和锁扣处特定自由度，在其左右前角点施加垂直于外板的力，测试发盖系统抵抗变形的能力。通过DFSS对发动机罩盖扭转刚度影响因子的分析和排序得知，发动机罩盖中间梁深度、后梁深度、前梁宽度和中间梁宽度是影响扭转刚度的重要因子，是结构设计的重点，详见图1。

可知，当铝替换钢，弹性模量E降低为原来三分之一时，想要维持相当的扭转刚度，则I需要提升至之前的3倍。 根据力学理论，截面惯量I与料厚相关，基本成正比。即假设梁截面外轮廓尺寸不变，发盖材料由铝替换钢时，由于铝材料厚增加，惯量提升至1.5倍。因为截面惯量I又与梁深度H3基本上成正比，可以通过梁深度增加26%，将惯量再提升为原来的2倍。从而实现铝合金替代钢制发盖后扭转刚度性能的稳定。

2.3 结构设计与抗凹性

发盖的抗凹性是发盖处于关闭状态下，对其铰链和锁扣处进行约束，在外板表面垂直施加载荷，测试发盖系统抵抗变形的能力。故将发盖系统简化为简支梁模型。

a为支撑点的距离，b为外板料厚。当采用铝替换钢时，E由205Gpa下降为69Gpa，仅为钢材的1/3。如果要保证相同的抗凹性，则I需要是之前的3倍。假设发盖内板支撑位置相同，则a为定值。钢材I钢=a*0.73/12。铝材I铝=a*13/12≈3*I钢。故铝材替换钢制发盖抗凹性可达到目标。

2.4 结构设计与模态

模态是结构系统的固有振动特性，与系统的振动重量有关。考虑发盖上的安装附件较少，其模态主要取决于自身，故直接将发盖钣金系统作为模态研究的对象，并根据安装约束特性简化为铰链、锁扣、缓冲件支撑的简支梁模型来计算其模态。

可知一阶模态的影响因素主要为：1、惯量；2、弹性模量；3、重量。根据截面惯量I的计算公式3、4，不考虑缓冲块及附件，如果铝制发盖替换钢制发盖后需要得到相同的一阶模态，则 H铝=1.026H钢。即铝制发盖梁深度增加2.6%之后，可以得到基本相同的模态。若加上缓冲块及附件，由于缓冲块刚度不变，铝制发盖零件重量更小，模态会上升。

2.5 结构设计与强度

根据表1的材料对比可以发现，对于发盖内板而言，铝5182的屈服强度较钢DC05更高。

可知当铝合金发盖采用比钢制发盖更厚的料厚及更大的断面时，整体应力水平会下降，发盖内板强度风险也更小。

但是由于发盖锁扣本身的高强度和拉脱力要求，决定了锁扣与加强板的连接工艺和材料强度要求都较高。所以从零件强度的性能、连接工艺、防腐性能、成本、重量等方面的综合考虑，铝合金发盖的锁扣及锁扣加强板仍然采用钢材。推荐将锁扣和锁扣加强板热卯后做成黑漆件，以TOX或穿刺铆接的工艺与铝材连接来同时保证强度和防腐蚀的要求。

2.6 结构设计与行人保护

基于公司某款A字梁发盖的结构，用铝合金替代钢制，截面尺寸不变，料厚由0.7变为1.0mm。其仿真结果如图所示：

通过头部加速度时间历程曲线得知，在前舱空间无限制的条件下，截面尺寸不变的前提下，铝合金发盖头部总体伤害值相比钢制发盖变化不大。其主要原因是，铝合金发盖的加速度曲线第一个峰值较钢制发盖下降明显，但在14-16s出现明显的第二波峰，导致HIC与钢制发盖差距不大。

通过文献[2]对头部合成加速度的研究，理想的加速度曲线如图3。结合图2为了获得更加理想的加速度曲线，铝合金发盖需要增加速度曲线的第一个峰值，减少第二个峰值，来降低头部伤害值。

通过铝合金发盖内板更改对加速度曲线第一波峰影响的对比研究可知，第一峰值的主要影响因子为撞击带动的外板质量，见图4。同时也解释了图2中，铝合金发盖虽然带动面积较大，但由于其密度较轻，第一个峰值依然较小的现状。铝合金发盖的目的是汽车轻量化，故通过增加发盖外板重量，优化加速度第一峰值的方式是不经济也不可取的。对于一个铝制发盖，如何通过内板结构的优化，降低加速度曲线的第二峰值是发盖行人保护设计的重点。

通过对铝合金发盖内板X-X结构梁和波浪梁HIC值对比分析可知，在压溃空间小，仅60mm的情况下，挖空面积小、梁结构密集的波浪梁相比X-X的结构梁，增加了人-车碰撞的带动质量，HIC伤害值更加稳定也更加低。同时波浪梁结构能让头部碰撞的能量在更少的空间内被吸收，对发盖设计空间要求更低。所以铝合金发盖内板考虑到行人保护性能，中部梁结构建议设计为波浪梁或碗状梁，推荐深度为25mm，见图5。虽然波浪梁结构的铝制发盖略重，但此类结构的铝制发盖相比钢制发盖减重比率一般也≥40%，且行人保护结果及刚度性能较好。

表2为公司推荐的钢制发盖的内板结构和梁断面初始化设计尺寸。根据上文论述，为平衡发盖刚度类性能和行人保护需求，铝制发盖内部结构和各梁结构断面尺寸推荐如表2：

3 结论

铝合金是重要的汽车轻量化材料，发盖系统的性能、空间布置等又为铝合金的应用提供了良好的环境。本文通过铝合金和钢制板材的材料参数对比研究，从发盖的性能角度详细剖析了铝合金发盖的设计要点和目标，总结关键影响因素并提出了一套综合优化方案，为初始阶段的铝合金发盖设计提供了一套可借鉴的方法，为后续铝合金发盖设计具有较好的指导意义。

参考文献

[1] 朱平，孟瑾，喻明，冯奇，周庆伟.轿车铝合金发动机罩板的轻量化设计与可制造性分析.中国公路学报[J]. 2011.

[2] 董丽萍，朱西产，马志雄，张轶川.基于头部合成加速度波形的发動机罩盖夹心层设计.汽车安全与节能学报[J].2012.07.