薄壁化保險杠的設計研究

劉永星

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 2300601）

薄壁化保險杠的設計研究

劉永星

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 2300601）

文章首先論述了薄壁化保險杠設計的一般要求，并分析了塑料薄壁化保險杠常用材料及材料的性能要求。文章重點討論了薄壁化保險杠在開發過程中所需關注的性能要求及設計要點。并通過一款薄壁化汽車保險杠的研發分析過程，對薄壁化保險杠研發的一般規律做了深入的論述。

薄壁化；保險杠；改性聚丙烯

CLC NO.:U462.1Document Code:AArticle ID:1671-7988 (2017)02-38-03

引言

隨著國家對節能減排要求的進一步提高及中國汽車產業的高速發展，汽車輕量化已成為汽車節能減排的重要途徑,已成為汽車發展的主潮流。而汽車零部件薄壁化設計技術一直是汽車輕量化發展的重要方向之一，零件的薄壁化設計水平已經成為衡量各汽車設計中心技術能力的一個重要指標。

作為汽車外裝飾表面積最大的零部件，汽車保險杠的薄壁化已成為各汽車廠家首選的降重方案。我們在進行保險杠薄壁化產品開發之時，需要詳盡分析保險杠薄壁化的設計優勢，理解其所選材料的特點，并對薄壁化保險杠設計方案進行模擬對比評估。

1、薄壁化保險杠材料

表1 薄壁化保險杠材料性能對比表

聚丙?。≒P）是最輕的塑料之一，密度在0.9 g/cm3～0.91 g/cm3之間。應用于汽車保險杠外殼，多加入三元乙丙橡膠（EPDM）、滑石粉等以改善其性能。改性聚丙烯材料技術的發展對于推進保險杠的薄壁化設計發揮了關鍵作用。配合改性技術的發展，改性聚丙烯材料的綜合性能也得到顯著提升。

根據原材料調查及統計，市場主流薄壁化保險杠應用的改性PP材料與傳統PP材料性能對比如表1所示。

1.1 薄壁化保險杠優勢分析

（1） 產品壁厚減薄，重量減輕。在滿足設計需求的條件下，單件使用材料減少。保險杠設計壁厚由傳統的3.0mm降低到2.5 mm，考慮到制件壁厚減薄會引起剛度下降，局部需增加加強結構，產品減重率可達到10%左右。

（3）薄壁化產品收縮小，薄壁產品與車身的匹配以及生產過程中的尺寸質量控制更加有效。相同材料的情況下，產品壁厚越薄收縮率越小。而收縮率降低將會有利于提高產品的尺寸穩定性，從而減少產品裝配中的尺寸匹配問題。

2、薄壁化保險杠設計

2.1 薄壁化材料選擇

零件薄壁化設計選用的材料特點是較為明確的：高流動、高韌性、高強度和高剛性。

薄壁化材料開發技術路線可以概括如下：

（1）高流動。高流動材料才能滿足薄壁化產品成型需求。目前市場上熔融指數從0.1g／10min～1000g／10min的聚丙烯原料都有了商業化的成品，有效解決了改性聚丙烯流動性問題。

（2）高韌性。產品壁厚減薄使產品的沖擊強度即韌性降低，需對薄壁材料進行增韌。目前市場上已出現了多種新型的增韌改性劑，可有效提升改性聚丙烯材料的沖擊韌性。

（3）高強度和高剛性。產品壁厚減薄也會帶來制件強度和剛性的降低，需通過提高材料的屈服強度和彎曲模量加以彌補。為達到與傳統材料同樣的剛性要求，不同壁厚材料所對應的彎曲模量要求如表2所示。

這就需要我們平時養成思考并解剖問題的習慣。這個對不少中國家長來說也有點挑戰，因為我們的教育經驗大多是籠統整體式的，而不是西方教育所推崇的分析式。很多對成年人來說很簡單很普通的行為其實都隱含了大量知識背景在里面。

表2 不同壁厚對應的模量要求

2.2 零部件性能要求

薄壁化保險杠主要性能要求見表3，薄壁化保險杠的設計一般應遵照以下原則：

表3 零部件性能要求

1）為了提高保險杠強度，保險杠整個件不能都是2.5mm料厚，需均勻的增加部分區域料厚，如上下翻邊和鈑金的連接安裝點，可把保險杠做成變截面結構，局部最大料厚可達3.5mm；

2）由于保險杠材料流動性較高，所以外觀特征不能有太多的復雜結構，造型設計時要加以考慮外觀結構比較簡單，無復雜的外觀造型；

3）由于保險杠壁厚較薄，故需在增加強度的地方需增加加強特征，在不影響外觀的情況下，在牌照板處增加加強的特征，可增強保險杠X向強度；

4）保險杠大面無復雜的結構特征，整個區域是個大的平面。

5）通過對新型薄壁化材料的分析，結合保險杠產品特點，可以在滿足保險杠產品性能的條件下，減輕保險杠單件重量10%以上。

2.3 薄壁化保險杠的CAE模擬分析

為優化薄壁化產品設計方案，需對薄壁化保險杠設計進行相應CAE模擬分析,并根據保險杠安裝要求，通過CAE分析識別薄壁設計對保險杠模態和剛度的影響是否可以接受。

2.3.1保險杠模流分析

表5 產品分析結果

為滿足后期生產需要及產品品質要求，需對薄壁化保險杠部件進行相關模具成型性分析，目前比較多的是通過模流分析，判斷產品成型可行性。表5和圖1是某款薄壁化保險杠產品模流分析結果。通過分析，此產品成型最大充填壓力為74.77MPa，最大鎖模力為2285.7T，產品整體充填平衡，無遲滯和短射現象；結合線結合溫度較高，痕跡不明顯，結合質量好，產品整體收縮均勻。此款產品可以滿足生產制造要求。

圖1 產品模流分析示意圖

2.3.2 保險杠系統模態分析

產品厚度對保險杠系統模態的影響在一定范圍內呈線性關系。當壁厚從傳統的3.0 mm減少到2.5 mm時，一階模態分析的頻率從24 Hz降低到23.5 Hz。通過模擬分析不同壁厚下的保險杠系統模態，可以有效預測壁厚減薄帶來的設計失效風險。

2.3.3 保險杠剛度分析

以非薄壁設計為基礎模型，使用薄壁材料進行驗算，模擬保險杠靜態受力條件下剛度測試。因保險杠是對稱件，測量時選取如圖2中的測量點分別是保險杠表面從中部到右側的6個區域點，從分析數據來看，薄壁化保險杠產品與非薄壁設計狀態差別不大。并達到了前期設定剛度值≥10N/mm的要求。

從分析結果還可以看出，保險杠零件靜態受力條件下剛度表現與零件設計本身相關性較大，所以薄壁化產品方案設計過程中，務必考慮到零件本身的造型及其內部結構的設計。

圖2 產品剛度分析

3、結論

本論文通過對薄壁化保險杠設計開發原則及流程的闡述，并通過對一種薄壁化保險杠的開發應用實踐，對薄壁化保險杠開發作了全方位的論述。保險杠最終產品應當通過相應的試驗驗證。對于有特殊需求車型的保險杠，保險杠的設計應當符合適用于其的各類法律法規，并滿足設計參數各項的要求。

伴隨著各汽車技術中心自主設計和制造能力的不斷提高，保險杠薄壁化設計將會被運用到越來越多的新項目設計中。汽車塑料零件的薄壁化過程必然是一個漸進的過程，材料特性也將會是一個不斷提高的過程。薄壁保險杠的開發，需要理論設計和實際制造相互推進，相互驗證材料和零件性能。

[1]周一兵.汽車塑料發展現狀及趨勢[J].世界塑料.2008.26(1)：30-35.

[2]王鑒,王思,張楠.改性聚丙烯材料在汽車零部件上的應用進展[J].煉油與化工.2011(6)：5-9.

[3]宋賽楠,曹庚振,王霞.聚丙烯塑料的改性研究[J].塑料工業.2011.39 (s1)：57-59.

[4]周 強,劉樹文.汽車保險杠的薄壁化設計[J].上海汽車. 2013.09：20-23.

Design And Application For Thin-wall Bumper

Liu Yongxing
（Anhui jianghuai automobile group co., LTD, Anhui Hefei 230601）

This paper firstly discusses the general requirements of thin-wall bumper design and analysis of thin-wall plastic bumper material commonly used materials and performance requirements of the material. This paper focuses on the thin-wall bumper of the necessary attention during the development process and design of regulatory requirements. Combined with a thin-wall bumper of the development process, the general rules on the bumper research and development done in-depth discussion.

thin-wall; bumper; PP+EPDM

U462.1

A

1671-7988(2017)02-38-03

劉永星（1983-），男，內外飾設計主管，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，從事汽車外飾件設計開發工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.02.013