新能源汽车全塑车身设计及制造技术研究

【摘要】：随着复合材料在汽车行业的迅速发展,车身“以塑代钢”逐渐成为汽车企业追求的目标。汽车车身“以塑代钢”是从车身金属零部件开始(如全塑车门、全塑后箱盖),再到车身金属框架“以塑代钢”(如复合材料车身框架),最后发展到车身整体塑化成型。国内在上世纪80年代末,采用手糊成型工艺的玻璃钢车身覆盖件就得到了应用和推广；目前,国外采用在线模压、高压注塑、真空热压成型等工艺实现了车身塑化件的制备。采用旋塑工艺是成型整体式全塑车身的一个研究方向。本研究以一款新能源汽车样车为对象,以开发基于旋塑成型工艺的非承载式全塑车身为目标,采用UG软件为主要建模工具,以形状轻量化、材料轻量化、制造轻量化、设计轻量化、功能轻量化为设计准则,以全塑车身的人机操作性、舒适性、车身碰撞安全性、全塑车身动力学性能、全塑车身力学特性等为目标函数,综合衡量全塑车身的滚塑设计的合理性,最终实现集成化新能源汽车全塑车身的设计。减少汽车的零部件数量,降低新能源汽车车身质量,提高新能源汽车的动力学性能、续航里程等性能,争取为新能源汽车全塑车身研发制造和产业化提供理论依据和技术指导。本论文开展如下几个方面的研究工作：1.设计适宜于旋塑成型工艺的全塑车身。本研究在新能源样车的基础上,研究基于旋塑成型工艺的新能源全塑车身的设计流程和方法,利用UG软件强大的曲面编辑功能和车辆设计自动化模块,设计集成式全塑车身和模块化全塑地板。研究表明：采用功能与零部件高度集成的全塑车身结构,最大限度地降低额外制造成本和加工工序,实现车载零部件的通用化；通过采用车身整体成型技术,全塑车门、全塑地板、后箱盖全塑技术,塑／钢复合技术,“三明治”强化技术共同实现全塑车身轻量化。2.基于人机工程学对全塑车身进行布置与校核。本研究针对全塑车身舒适性、安全性、操作便利性等人机工程要求,建立车身内部布置工具,对全塑车身舒适性、车身内部空间、车身操作件以及车身视野进行分析。结果表明：全塑车身内部结构设计与车身人机设计相互依存,需要对车身各部分结构进行反复协调、修改,使其满足人机工程要求,为全塑车身内部优化设计提供了设计准则。3.全塑车身有限元分析及优化设计。本研究以非承载式全塑车身为研究对象,利用ANSYS软件和LS-DYNA软件对全塑车身及地板的动力学性能、抗撞性能、静载性能、抗扭特性进行分析,研究了全塑车身的动力学性能、力学性能的优化改进方案。结果表明：全塑车身相比金属车身在外形设计上有更大的设计自由度,以满足空气动力学的要求,降低车身空气阻力；双层结构的全塑车身力学性能低,碰撞性能差,需要对全塑车身的工艺、结构进行优化以提高车身的力学性能和碰撞性能,保障驾乘人员的碰撞安全。4.全塑车身制造技术研究。本研究以大型复杂全塑车身旋塑成型制造为研究对象,针对全塑车身成型模具、旋塑成型设备、旋塑材料及旋塑工艺等问题展开研究。结果表明：模块化车身模具能降低旋塑模具制造难度,提高了车身塑化成型效率,保障复杂车身结构特征；采用6.5m直径的穿梭式旋塑成型机、无线测温技术、定向加热技术,可实现全塑车身成型温度的控制。 【关键词】：新能源汽车 全塑车身 全塑地板 旋塑工艺 车身设计 轻量化 人机工程 有限元分析
【学位授予单位】：北京化工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：U463.82
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-17
• 符号说明17-18
• 第一章 绪论18-30
• 1.1 新能源汽车概述18-22
• 1.2 轻量化车身材料22-24
• 1.2.1 车身轻质合金材料22-23
• 1.2.2 车身复合材料23-24
• 1.3 复合材料车身制造技术24-26
• 1.4 研究目的和意义26-27
• 1.5 研究内容27-30
• 第二章 基于旋塑成型工艺新能源汽车全塑车身设计30-56
• 2.1 新能源汽车车身30-33
• 2.1.1 新能源汽车车身结构30-31
• 2.1.2 新能源汽车全塑车身设计要求31-32
• 2.1.3 全塑车身的旋塑工艺设计准则32-33
• 2.2 全塑车身外观设计33-36
• 2.2.1 车身数据采集与逆向设计33-35
• 2.2.2 车身零部件划分35-36
• 2.3 全塑车身结构设计36-54
• 2.3.1 全塑车身与塑料/金属复合地板37-41
• 2.3.2 全塑车身与前围上部总成41-43
• 2.3.3 全塑车身与车身顶盖结构43-45
• 2.3.4 全塑车身与翼子板45-46
• 2.3.5 全塑车身与挡泥板46-49
• 2.3.6 全塑车身与前后保险杠设计49-51
• 2.3.7 全塑车身与车门的布置与设计51-52
• 2.3.8 全塑车身与后备箱盖的布置与设计52-54
• 2.4 本章小结54-56
• 第三章 基于人机工程学的全塑车身布置与校核56-72
• 3.1 全塑车身人机工程56
• 3.2 车身内部布置工具的建立56-60
• 3.2.1 人体尺寸和人体模型建立57-59
• 3.2.2 驾驶员眼椭圆以及头廓包络面59
• 3.2.3 驾驶员手伸及界面59-60
• 3.3 全塑车身室内布置与校核60-70
• 3.3.1 全塑车身舒适性布置与校核60-63
• 3.3.2 全塑车身内部空间布置与校核63-66
• 3.3.3 全塑车身操作性布置与校核66-68
• 3.3.4 全塑车身视野校核68-70
• 3.4 本章小结70-72
• 第四章 全塑车身结构校核与优化72-90
• 4.1 全塑车身材料属性定义72-74
• 4.1.1 玻纤增强线性低密度聚乙烯72-73
• 4.1.2 结构性发泡聚氨酯73-74
• 4.2 全塑车身动力学分析与讨论74-77
• 4.2.1 有限元模型74
• 4.2.2 边界条件74
• 4.2.3 计算结果74-75
• 4.2.4 优化方案75-77
• 4.3 全塑车身碰撞分析与讨论77-81
• 4.3.1 有限元模型78
• 4.3.2 碰撞边界条件78
• 4.3.3 计算结果78-79
• 4.3.4 优化方案79-81
• 4.4 地板静力分析与讨论81-85
• 4.4.1 有限元模型81
• 4.4.2 边界条件与载荷81-82
• 4.4.3 计算结果82-83
• 4.4.4 优化方案83-85
• 4.5 车身顶盖静力分析与讨论85-87
• 4.5.1 有限元模型85-86
• 4.5.2 边界条件与载荷86
• 4.5.3 计算结果86-87
• 4.5.4 优化方案87
• 4.6 本章小结87-90
• 第五章 大型全塑车身制造技术的研究90-102
• 5.1 全塑车身模块化旋塑模具研究90-93
• 5.2 全塑车身旋塑设备93-95
• 5.3 全塑车身旋塑材料95-96
• 5.4 全塑车身旋塑工艺96-100
• 5.4.1 全塑车身“三明治”发泡成型工艺96-98
• 5.4.2 定向加热技术98-99
• 5.4.3 旋塑设备无线测温技术99-100
• 5.4.4 钢塑工艺100
• 5.5 本章小结100-102
• 第六章 结论与展望102-104
• 6.1 结论102-103
• 6.2 展望103-104
• 参考文献104-108
• 致谢108-110
• 研究成果及发表的学术论文110-112
• 作者及导师简介112-113
• 附件113-114

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