SMC复合材料汽车翼子板设计及性能研究

李波 周波

摘 要：随着环境污染日益严重和能源危机不断加剧，汽车轻量化已成为现代汽车设计的重要研究方向。本文采用新型SMC复合材料代替传统钢材作为汽车车身翼子板用材，在保证性能要求的前提下，通过模块化设计、结构优化和工艺优化实现减重20%的目标，并通过约束模态和抗凹性仿真分析及翼子板性能试验结果对比验证了SMC复合材料翼子板方案的合理性。

关键词：SMC 轻量化 翼子板 设计 性能

1 前言

随着环境污染日益严重和能源危机不断加剧，以改善汽车性能、提高燃油经济性、降低排放等为目的的汽车轻量化开发已成为现代汽车设计的重要方向。研究表明，汽车每减重10%，可降5%～8%的燃油消耗量;汽车重量每减轻100kg，每行驶1km的CO2 排放量可减少12.5g[1]。

SMC是一种轻质高强材料，且具有绝缘隔热、抗腐蚀、耐老化、设计自由度大、尺寸稳定性好的特点[2]，其制造工艺简单，可用于生产几何形状复杂的产品，目前已广泛应用于汽车轻量化开发过程中。SMC作为一种新型复合材料，目前已成功应用于国内外多款车型的外覆盖件，如路虎揽胜、Jaguar F-Pace、雪铁龙DS6等车型的尾门;雪铁龙C8、福特F150等翼子板。

2 SMC材料特性

SMC翼子板等汽车外覆盖件开发过程中，通常采用A级表面SMC材料，其配方包括不饱和聚酯树脂、玻璃纤维、填料、低收缩添加剂（LPA）等。树脂选择需要保证产品具有良好的表面质量和刚性，从而克服二次加工时的变形，以达到所需的精度[3];玻璃纤维长度一般为25-30mm，并对材料强度及刚度性能起决定性作用;LPA低收缩添加剂主要是用于降低材料收缩率，减少成型后表面波纹度，从而改善SMC产品表面质量。

本研究翼子板开发过程中，采用的SMC材料性能参数如表1。

3 翼子板设计

3.1 翼子板性能要求

翼子板作为白车身的重要组成部分，必须具备良好的抵抗变形和冲击的能力。翼子板相关性能要求如下：1）在满足工艺和装配要求情况下，与原车型周边件间隙面差要求一致，与钣金相比，减重效果不小于20%;2）SMC复合材料翼子板一阶约束模态≥50Hz，抗凹性达到或接近原有钢制翼子板性能（约束状态下，75mm的圆柱加载90N，最大变形不大于5mm）;3）满足《GB 11566乘用车外部突出物》、《GB 7063汽车护轮板》和《GB/T 24550汽车对行人的碰撞保护》等法规要求。

3.2 翼子板方案设计

本文以某量产车型翼子板为研究对象，利用SMC材料进行替代设计。钣金结构厚度0.65mm，材料B180H1，屈服强度为237MPa，密度7.86g/cm3，弹性模量为210000MPa。根据等刚度计算结果获得SMC复合材料翼子板产品初始厚度，然后结合计算机辅助技术，对SMC复合材料翼子板进行多轮计算机仿真分析和校验，可得到最佳设计方案。

某车型翼子板最终采用主体料厚为2.3mm的SMC复合材料，翼子板与前保险杠、前组合灯配合、发动机罩、A柱、三角窗、前门外板、下裙板及轮罩配合的凸缘进行增厚加强，其厚度为3.0mm。前门外板、发动机罩及A柱配合位置倒扣结构通过斜顶/滑块实现翼子板模压模具整体成型工艺。与钢制翼子板相比，SMC翼子板模具成本低、轻量化效果明显;与其他类型塑料翼子板（PP或PA/PPO）相比，SMC翼子板可皆具轻量化、可在线涂装、无色差、尺寸稳定性好等优点[4]。

4 性能仿真分析及验证

4.1 重量

采用钢材的传统钣金结构翼子板厚度为0.65mm，重量为2.21kg;通过结构优化后的SMC复合材料翼子板翼子板重量为1.75kg。

由以上比较克制，与传统钣金翼子板相比，SMC复合材料翼子板减重效果约为20.3%，满足预期20%的减重目标要求。

4.2 模态分析

采用Hyperworks软件，将设置好的模态及刚度选项卡片的載荷工况提交给Optistruct求解器求解，通过Hyperview后处理软件得到SMC复合材料翼子板约束模态云图如图1所示。

钢制翼子板及SMC复合材料翼子板模态分析结果对比如表2。模态分析结果显示，SMC复合材料翼子板模态分析结果满足一阶模态≥50Hz的设计目标要求。

4.3 抗凹性分析及试验

4.3.1 抗凹性分析

抗凹性直接决定翼子板抗变形能力，抗凹性若不满足要求会导致翼子板变形、外观不良及行驶过程中产生噪音等问题，严重影响车身品质[5]。翼子板抗凹性分析点位置如图2所示，加载点最大变形见表3，加载点最大变形分析云图如图3所示。

4.3.2 抗凹性试验

抗凹性是指车身覆盖件承受外部载荷作用时抵抗凹陷弯曲及局部凹痕变形，保持形状完整的能力，它是评价和反映覆盖件使用性能的一项重要指标。

对成型后的SMC复合材料翼子板进行抗凹性试验，约束状态下，采用直径为75mm的木质圆柱，垂直于待测翼子板表面以90N的力进行加载，同时测量加载点位移。每测试点重复测量3次，并计算平均值，测试结果见表3。

4.4 振动试验

4.4.1 共振振动耐久试验

将SMC复合材料翼子板在振动试验台架上，使其处于正常使用状态，并在8.3-50Hz内进行共振点扫频，结果表明：SMC翼子板在8.3-50Hz范围内无明显共振点，无需进行共振振动耐久试验。

4.4.2 振动耐久试验

将SMC翼子板固定在振动试验台架上，使其处于正常使用状态。按照振动频率33Hz，振动加速度30 m/s2进行试验，振动次数按照X/Y/Z 向各25/25/50万次，测试环境温度按照-40℃、23℃、90℃分别进行低温，常温和高温测试。测试结果表明：振动耐久试验后翼子板结构完整性好，无裂纹、扭曲、破损等不良现象。

4.5 低温落球冲击

将零件安装在模拟支架或车身上使其处于正常使用状态，并置于环境温度为-40℃±2℃的低温箱内4h，在冷冻状态下用直径50mm±1mm，质量500g±5g的钢球，从1000mm±20mm的高度进行落球冲击试验，落球对制品正面进行冲击。下图4测试结果表明：低温落球冲击后，SMC复合材料翼子板表面应无断裂、裂痕等不良现象。

5 结束语

本文通过采用SMC复合材料替代钢材进行翼子板轻量化设计，并根据SMC材料特性制作一体式整体模压成型翼子板，极大地简化了复合材料翼子板成型工艺。与钢制翼子板相比，新型SMC复合材料翼子板减重效果可达20%，相关仿真分析及试验结果表明：SMC复合材料完全可满足翼子板性能要求。

参考文献：

[1]刘保公，姜叶洁，黄少娟.碳纤维复合材料备胎池结构设计与优化[J].时代汽车，2019，（12）.

[2]Orgéas，L.，Dumont， P.J.J.，Nicolais， L. Sheet Molding Compounds. In Wiley Encyclopedia of Composites， 2nd ed.; Nicolais， L.，Borzacchiello， A.，Eds.，John Wiley， Inc.： Hoboken， NJ，USA，2011.

[3]岳成业. A级表面SMC的研究[J]. 玻璃钢/复合材料，1994，（4）.

[4]钟国留，刘伟，雷绍阔. 塑料翼子板的工艺研究[J]. 上海塑料，2019，（1）.

[5]吴文娟. 浅谈汽车前翼子板的结构设计[J]. 机电工程技术，2011，40（8）.