车用结构胶在白车身门框变形量优化中的应用

摘要：运用Altair公司的HyperMesh前处理软件，分别对车用结构粘胶及结构泡沫进行有限元模拟，考察该两种车用结构胶对某白车身门框变形量的优化效果，需求最佳的优化方案，为后续该类车用结构胶在汽车上的应用提供参考依据。
关键词：HyperMesh 结构粘胶 结构泡沫 门框变形量

1 概述

随着胶粘技术的发展，车用胶粘在汽车设计中的应用越来越广泛，密封胶、减振胶、阻尼胶、折边胶、结构胶等粘胶都已成为汽车产品中的必要材料。然而，密封胶、减振胶、折边胶等大部分车用粘胶都属于功能性用胶，主要以PVC材料为基材，强度较低，不适合用于结构连接，而以环氧树脂及PU材料为基材的结构胶可效地用于车身结构连接。车用结构胶不但能够提高车身刚度、耐久性能，降低结构应力集中，而且能够进行不同材料的异质连接（镁铝合金等材料在车身上的应用），对汽车轻量化的研究也有着重要的意义，同时结构胶中的结构泡沫可用于填充车体结构空腔，通过迅速提高腔体局部刚强度，从而实现对车体整体性能的提升。

白车身的门框变形量分析是白车身扭转工况下的一个常规分析，白车身的门框变形量过大可能导致异响性能衰减过快等系列问题，因此扭转工况下的白车身门框变形量必须严格控制在一定范围之内。本文以某车型的白车身为例，应用Altair公司的HyperMesh软件分别对结构粘胶（Adhesive bonding）及结构泡沫（structural foam）进行有限元建模。在不改变该车体结构的前提下，借助CAE手段，考察两种不同的车用结构胶对该白车身门框变形量的优化效果，需求对白车身门框变形量最佳的优化方案。

2 结构胶的应用背景及优势

随着汽车行业的发展，人们对汽车性能要求的不断提高，传统的车身连接技术已经不能够完全满足人们的需求。汽车胶连技术的不断成熟，结构胶在车身上的应用能够有效地提高车身刚度、耐久性能，降低结构应力集中，同时进行不同材质的有效连接，因此结构胶在车身上的应用越来越广泛。

图1 结构胶在车身上的应用

与传统的焊点连接比较，结构胶有着较明显的优势：

可消除结构应力突变，降低连接处的应力，使载荷均匀分布；
提高结构抗疲劳寿命，具备更高的承载能力；
进行不同材质的连接，提高连接强度等。

3 车身结构胶的有限元模拟

3.1 粘胶材料材料参数

3.2结构粘胶Adhesive bonding的模拟

结构粘胶可用Solid、RBE2及RBE3单元模拟，粘胶实体单元与粘连基板之间的连接用RBE2单元模拟，与被粘连基板之间的连接用RBE3模拟，如下图所示：

图3 结构粘胶模拟

在HyperWorks中，根据车体结构应变能情况，在车体结构应变能较大的区域作为涂抹结构粘胶的区域（下图白色高亮区域），确定好连接与被连接板件，合理地控制粘连板件之间的容差及粘胶厚度（约为0.2--05mm），即可创建，如下图所示：

3.3 结构泡沫structural foam的模拟

结构泡沫的建模可直接采用四面体实体单元进行粘胶模拟。具体步骤如下所示：

4 结构胶在某乘用车白车身门框变形量优化中的应用

下图所示为某乘用车型带前后风挡白车身有限元模型，其中节点数704763个，单元数693983个.下面将运用上述两种结构胶的建模方法，在不改变该车型车体结构的前提下，对该车型的门框变形量（扭转工况）进行优化。

扭转工况下的门框变形量分析的边界条件为：

约束左后减震器及右后安装支座安装孔中心点；
左右两侧的前减震器安装孔中心建立关系约束；
施加某一扭距作用在左右前减震器安装支座安装孔中心点之间，可等效为图示节点的Z向作用力。

4.1应用结构粘胶Adhesive粘连技术进行优化

根据白车身扭转工况下的应变能情况，在应变能较大的区域涂抹结构粘胶，如下图所示：

门框变形量优化结果如下所示：

从分析结果可知，经优化的各门框变形量降低约7.5%左右，H方向上的变形量降低略高，为11.09%，整体优化效果不显著。

4.2应用结构泡沫structural foam技术进行优化

根据白车身扭转工况下的应变能情况，在应变能较大的区域填充结构泡沫，如下图所示：

图9 结构泡沫优化方案

优化结果如下所示：

从分析结果可知，经优化的各门框变形量均十分显著的降低，均在30%以上，扭转刚度值的提升幅度高达18.84%,扭转模态也提高了1.76Hz，整体优化效果较理想。

5 结论

本文借助Altair公司的HyperMesh软件对结构粘胶及结构泡沫进行了有效的有限元模拟，在不改变车体结构的前提下，通过CAE方法分析了两种结构胶对扭转工况下的白车身门框变形量的最佳优化效果。从分析结果可知，结构粘胶及结构泡沫对降低各门框变形量均有一定作用，其中结构泡沫粘连技术对降低车体的门框变形量的效果显著十分显著，降低量均在30%以上，扭转刚度的提升也到达18.84%，是较理想的优化方案。

6参考文献
[1] 陶氏化学汽车事业部《结构胶在车身上的应用和仿真》2011
[2] 汉高技术客户服务部《汉高空腔内嵌增强件建模方法》2012
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[5] S.Shibuya and H.Yamshita 《Rigidty Analysis of Body Shell with Lift Gate》 IBEC96，
Materials &Body Testing，1996