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《遼寧科技大學學報》2017年第4期

摘要：文章依據某車型鎂合金車門內板的設計開發過程，提出了鎂合金車門內板設計流程及思路，總結了鎂合金車門內板設計開發方法及要點，以保證鎂合金車門內板開發的準確性。

關鍵詞：內把手；設計開發；試驗驗證

引言

隨著對汽車的燃油經濟性和排放控制要求的日益提高，通過改進設計，尋找替代材料以及開發新的制造工藝等方式進行汽車輕量化日益廣泛的應用在目前和未來的汽車上。車門作為汽車的重要總成之一，國內外對其進行了大量輕量化嘗試，目前，最有代表性的是鋁合金車門內板，已經應用在行業內一些高端汽車品牌，比如奔馳，寶馬，奧迪等。通過采用鋁合金車門內板，能夠明顯降低車門重量25%左右，達到減輕整車重量，降低油耗和廢氣排放的目的。采用鋁合金沖壓工藝的車門內板通常采用分塊設計，將內板分成若干小塊，分別成型后，再采用拼接工藝，如鉚接和電弧焊將各分塊連接成一個整體內板，采用該方法可以減小模具的噸位，但由此帶來了車門內板需要復雜的連接工藝；用鋁合金壓鑄工藝可以解決需要將車門內板分成若干小塊的缺點，但由于鋁合金流動性差，采用整體式壓鑄不僅對模具的噸位提出了較高的要求，對于保證鑄件的質量也有較大的難度。鎂合金作為一種新型高性能結構材料，具有密度小、比強度和比剛度高、阻尼性能良好、減震性強、電磁屏蔽和抗輻射能力突出，易加工回收等諸多特點。相較于鋁合金，鎂合金具有更輕的可比質量（密度為1.74g/cm3，鋁合金密度為2.7g/cm3），更好比強度（強度/密度）和比剛度（剛度/密度）。為了實現車門輕量化的要求，也為了在保證車門性能的基礎上，簡化車門內板的制造及裝配工藝，對某車型的車門內板進行鎂合金結構設計來替代傳統鋼板設計。

1設計過程

1.1設計步驟

鎂合金內板的設計步驟包含幾何結構設計和性能設計，各步驟應該遵從以下基本準則：1）幾何結構設計應在整個車門總成的設計中考慮，對車門總成的零部件進行布置設計，根據車門布置、搭接關系進行車門內板的幾何結構設計。2）車門內板采用輕質鎂合金材料，且采用整體式結構和壓鑄工藝，集成了鉸鏈加強板、內板加強板、鎖體加強板等功能；幾何結構設計時應根據車門內板不同區域的功能和性能要求設計對應的厚度。3）性能設計是指將鎂合金車門內板裝配到車門總成中進行性能驗證，包括車門的NVH、剛度、強度、碰撞等性能。4）性能設計驅動車門的幾何結構設計，以在保證車門性能的基礎上，獲得優化的幾何結構。鎂合金車門內板的設計劃分為兩個階段：PhaseI和PhaseII,PhaseI包含步驟1～3，PhaseII包含步驟4～9，詳細內容見以下闡述。

步驟1：確定車門總成的性能設計目標，為鎂合金車門內板的設計做準備。通常，確定車門的性能目標可以從參考車型的車門的仿真分析和試驗中獲得，也可以查找經驗數據庫和企業規范。主要性能包括參考車車門的模態、剛度、擠壓強度、碰撞侵入量和侵入速度等指標。

步驟2：根據步驟1對車門的性能要求，確定鎂合金內板的材料牌號。目前，應用于汽車上的壓鑄鎂合金主要包含AZ和AM系列，AZ系列適用于高強度，低塑性部件，AM強度較AZ系列強度低些，但適用于對塑性要求較高的部件，特別是碰撞吸能件，優先推薦采用AM系列。

步驟3：對內板的拓撲結構進行設計，主要采用建立車門總成的有限元模型，進行仿真分析的方法完成，包含以下過程：1）根據車門總成的總布置等設計要求和內板的裝配設計要求，采用CATIA軟件建立鎂合金內板的3D幾何表面模型，模型反映結構的基本特征，如裝配面，安裝孔；不需要體現工藝孔、加強筋等改善特征。2）采用CAE前處理軟件Hypermesh對包含鎂合金內板的車門總成進行網格劃分，并基于optistruct求解器建立車門總成的有限元模型。3）建立車門總成有限元模型的模態剛度分析工況，并將步驟1確定的車門模態、剛度性能作為有限元模型的最小目標值，為了保證優化效果，可以適當放大目標值為初始值的1.2倍左右。為了保證計算速度，剛度分析工況不考慮幾何非線性和材料非線性，采用線性靜態計算方法。4）確定車門內板為需要設計拓撲的材料區域，采用變密度法對車門總成進行拓撲優化計算，經過若干次迭代計算后，獲得內板各區域的材料分布。5）根據獲得的鎂合金內板的拓撲材料分布，建立內板的CATIA表面模型，并根據內板各部分的厚度分布對內板各部分增厚，建立內板的3D實體模型。

步驟4：用CAE前處理軟件Hypermesh對步驟3完成拓撲設計的鎂合金車門內板劃分網格，基于ABQUS/stand求解器建立車門總成的模態和剛度有限元模型，剛度有限元模型考慮零件間的接觸非線性、材料非線性和幾何非線性，基于LS-DYNA求解器建立車門的擠壓強度有限元模型。對建立的有限元模型進行計算，將計算結果與目標值比較，發現不滿足目標的計算工況。

步驟5：參照步驟3中子步b),對步驟4中不滿足目標的工況建立形貌/尺寸/形狀優化的有限元模型，采用optistruct進行優化求解，獲得優化的局部加強結構。

步驟6：參考步驟4和5的結構優化結果，采用CATIA軟件對鎂合金內板幾何結構進行詳細設計，包括局部結構的加強設計。

步驟7：與步驟6同步，步驟7進行鎂合金內板的壓鑄工藝的設計。主要包括：1）根據壓鑄成型的材料流動和溫度分布，進行車門內板的結構設計，保證壓鑄成型材料流動均勻、順暢，降低材料流動的阻力。2）壓鑄件除孔及邊緣外，都應有圓角，以保證金屬填充時流動平穩，氣體容易排出，并可避免銳角而產生的壓鑄裂紋。3）零件盡可能多的分布加強筋。加強筋的設置可增加零件的強度和剛度，同時改善壓鑄的工藝性。4）加強筋等特征的布置要滿足零件脫模的要求，避免無法脫模。5）結構無法通過模具壓鑄產生的特征，應考慮后續增加機加工工序完成。

步驟8：與步驟6和7同步，步驟8進行鎂合金內板的連接方案設計。鎂合金熔點較低，無法與周圍鋼制零件間采用焊接，采用螺栓與周邊鋼制零件連接。鎂合金內板與周邊鋼制鈑金件直接接觸裝配時會產生電化學腐蝕，所以連接位置應當涂抹防電化學腐蝕膠。

1.2材料選擇

材料選擇需要滿足的基本性能要求：抗拉強度≥220MPa，延伸率≥10%。壓鑄鎂合金通常有AM及AZ系列，AZ系列適用于高強度，低塑性部件；AM強度較AZ系列強度稍低，但適用于對塑性要求較高的部件，特別是碰撞吸能件，推薦采用AM系列。

1.3拓撲優化

拓撲設計要點：拓撲設計區域的范圍選擇背板部分，重點考察中間區域的厚度分布和減重孔分布；拓撲設計的約束主要包含模態、窗框剛度、扭轉剛度（上扭/下扭）、腰線剛度、下垂剛度等；拓撲設計的約束值參考基礎車和設計方案值，為保證優化效果，通常設為參考值的80%～100%，根據優化結果調整腰線剛度、上扭剛度、下垂剛度及下扭剛度等。

1.4厚度設定

①鎂合金厚度約為同等剛度的鈑金厚度3倍；

②鎂合金壓鑄件的壁厚為2~4mm為宜，最薄不能低于1.5mm，最厚不能高于6mm。材料過薄時壓鑄成型困難；過厚易產生縮癟、裂紋、氣泡等缺陷，影響鑄件的強度。

③分區域不同厚度：包邊區2mm(包邊空間不足時可按1.5mm設計）；線束安裝區1.5mm；加強筋3mm；鎖、鉸鏈、防撞梁連接區4mm。

2仿真分析及優化

鎂合金內板數模需做如下表所示的性能分析項目，需確保分析合格方能凍結數據。

3結論

輕量化設計工作任重道遠，而鎂合金車門內板的應用研究還需要更進一步方能大批量應用。本文分析介紹了某車型的鎂合金車門內板，詳細闡述了鎂合金車門內板的設計準則及步驟，并詳細介紹了鎂合金車門內板的設計注意事項。正確的設計開發方法和充分的試驗驗證，對于提高鎂合金車門內板的設計質量和性能要求有著重要作用，也是確保整車開發進度和開發質量不可缺少的一部分。

參考文獻

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[3]沈蓮.機械工程材料[M].西安:西安交通大學出版社,2008:60-80.

作者：班正逸；金云光；唐淳 單位：安徽江淮汽車集團股份有限公司技術中心