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某车型PDCPD 导流罩开发研究
张瑞俊 张锦宙 李建衡汽车外饰
东风柳州汽车有限公司 广西柳州市 545005
摘 要：
为了降低某商用车重量，提升其轻量化性能；对其导流罩使用轻量化材料，进行轻量化设计，在保证性能与标杆产品持平的前提下实现重量降低。标杆产品使用SMC，轻量化材料使用PDCPD。PDCPD 材料刚度低于SMC 材料，为保证产品刚度，首先以刚度目标为导向，使用仿真优化辅助产品结构设计，实现产品刚度性能达标。产品刚度性能达标后，局部位置出现应力集中，对应力集中的位置局部加强及改进，实现产品强度达标；最终实现产品刚度、强度仿真分析结果均达标，并且实现产品重量降低40%。
关键词：轻量化 导流罩 PDCPD 仿真优化 结构设计1 前言
近年来，随着我国汽车工业的快速发展，商用车作为一种重要的生产资料，产销量不断提高。随着新版GB1589-2016的实施，加之国家对于限超治超整治力度的加大，客户购买重卡是对车辆自重的关注越来越强烈，数据表明，汽车重量每降低10%，可降低油耗6%~8%。自重降低不仅为客户降低了油耗，针对载货车而言，自重的降低也意味者司机出车科载重更多的货物，提升单趟出的经济效益[1]。当前重型汽车排放要求和载重量限制要求的不断提升，轻量化已成为商用车核心技术，新材料、新技术的应用对提高汽车核心技术及竞争力有重要作用。
PDCPD（聚双环戊二烯）作为一种新兴材料，在轻量化、抗冲击、耐腐蚀性及环保上较现有玻璃钢材料具有明显的优势，已在国外得到大范围应用，国内目前在工程机械上应用较多，商用车领域各大企业在外饰产
品上也做了诸多尝试及研究。本文对商用车PDCPD 导流罩设计及关键技术做简要论述，旨在为行业提供参考。
2 PDCPD 导流罩设计
2.1 PDCPD 导流罩性能初步分析现状导流罩多使用SMC 材料，材料密度1.8g/cm 3，材料弯曲模量11
GPA;PDCPD 导流罩材料密度1.03g/cm 3，材料弯曲模量2Gpa。PDCPD 材料密度为SMC 材料的57.2%，弯曲模量为SMC 材料的18.2%，需重点关注PDCPD 导流罩刚度性能；导流罩
为外饰结构功能件，行车过程受风压及振动，同时需关注其强度性能。
2.2 PDCPD 导流罩性能目标
为保证PDPCPD 导流罩在使用过程中满足服役性能要求，应用虚拟仿真优化技术对设计方案刚度及强度进行全方位的分析验证及优化；设定PDCPD 导流罩仿真分析关键性能目标见下表1、表2。
2.3 PDCPD 导流罩结构设计
PDCPD 材料弯曲弹性模量为SMC 产品的18%，导流罩使用PDCDP 产品设计，首先需解决的问题是刚度问题。通过对标杆SMC
Development and Research on PDCPD Shroud of a Vehicle
Zhang Ruijun ，Zhang Jinzhou ，Li Jianheng
Abstract ：
I n order to reduce the weight of a commercial vehicle and improve its lightweight performance, lightweight materials are used for the shroud and lightweight design is carried out to reduce the weight on the premise of ensuring that the performance is equal to the benchmark products. SMC is used for benchmarking products and PDCPD is used for lightweight materials. The stiffness of PDCPD material is lower than that of SMC material. In order to ensure the product stiffness, the article first, takes the stiffness goal as the guidance, and uses simulation optimization to assist the product structure design to achieve the product stiffness performance up to standard. After the rigidity performance of the product reaches the standard, the stress concentration occurs at the local position, and the local stress concentration position is strengthened and improved to achieve the product strength reaching the standard; finally, the simulation analysis results of product stiffness and strength meet the standard, and the product weight is reduced by 40%.
Key words ：
l
ightweight, shroud, PDCPD, simulation optimization, structural design 表1 产品刚度性能目标
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导流罩分析，判断导流罩变形大位置，进行加强。
（1）标杆SMC 产品最大变形分析。a 顶导流罩最大变形在导流罩中部位置，且前后两侧均有较大变形，如下图1所示。
b 侧导流变形位置在侧导流罩后部位置，且上下均有变形点，如下图2所示。
（2）PDCPD 导流罩产品设计时，由于材料弯曲模量远低于SMC 材料；需在标杆产品变形大位置进行加强，可采用加强筋、金属骨架、玻纤增强材料非金属骨架、增加壁厚等加强方案；综合性能、成本、重量进行最优化考虑，最终确定的设计方案为使用外板本体+筋条+筋条位置局部加厚+PDCPD 非金属骨架的设计方案；顶导流罩在前侧及后侧均布置加强骨架，并在中部设计加强筋；侧导流罩在后部设计加强骨架，并设计均布的加强筋。导流罩本体材料使用PDCPD，基本厚度3mm，加强筋位置局部加厚
至7mm；加强骨架基本壁厚1.5mm，并根据强度分析结果局部加强，加厚；加强筋高度13mm，底部厚度2mm；整体布置设计方案如下图3所示。
2.4 设计分析优化及验证2.4.1 刚度仿真分析
对比标杆产品及PDCPD 导流罩设计方案，PDCPD 导流罩刚度仿真分析满足设计目标。一阶模态分析，PDCPD 导流罩一阶模态，与标杆产品相近，满足性能目标，详细分析结果如下表3所示；最大变形分析：PDCPD 导流罩整体最大变形低于标杆产品最大变形，满足性能目标，其中PDCPD 顶导流罩最大变形低于标杆产品，侧导流罩变形高于标杆产品，详细分析结果如下所示。
2.4.2 强度仿真分析
由于使用的PDCPD 骨架基本壁厚仅1.5mm，骨架分析过程中出现了应力较大问题，对应力大的位置进行多轮优化，如局部加厚，圆角加大、拓扑优化设计、切除应力大区域实行应力转移等方案，强度均不低于标杆产品。PDCPD 产品扶手受力工况、X 向、Y 向以及Z 向振动分析安全系数均高于标杆产品；风压工况扶手工况低于标杆产品，但安全系数≥1.3，强度仿真分析满足要求。分析验证结果如下所示：
2.4.3 质量测定
标杆产品实物重量测试为22.11Kg；PDCPD 产品按材料密度1.03g/cm 3，通过
CATIA 测定3D 重量为12.6Kg,PDCPD 产品相对标杆产品实现重量降低9.5Kg，将重幅度43%，具有良好的轻量化效果，并且由于重量大幅降低，使用国产PDCPD 材料生产，
成本也具有一定优势。
表2 产品强度性能目标
图2 侧导流罩变形分析
侧导后下部：变形量7.83mm
侧导后上部：变形量7.83mm
侧导后上部：变形量7.60mm
图1 顶导流罩变形分析
顶导中部-前侧：变形量15.02mm
顶导中部：变形量4.83mm
顶导中部-后侧：变形量
4.77mm
表3 一阶模态分析结果
表4 最大变形分析结果
图4 一阶模态分析结果
标杆产品
第一阶模态26.1Hz
PDCPD 产品第一阶模态24.6Hz
图3 PDCPD导流罩设计方案
加强骨架
导流罩本体
加强筋
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表5 强度分析结果
3 结语
在保证零件性能的基础上，通过仿真优化分析级结构设计，PDCPD 导流罩相对常规
SMC 导流罩降重可达40%，具有良好的轻量化效果，可推广至商用车发罩、前面板、保险杠、侧围、侧护裙等零件，具有良好的应用前景；国产PDCPD 材料已初具规模，使用国产材料可以在降重的同实现实现成本不
增加，替代传统模压SMC 零件。PDCPD 模具投资约为模压SMC 的50%，开发投资低，而且材料环保性更好，可回收再利用，有助
于汽车外饰零部件产业转型、环保及轻量化升级。
参考文献：
[1]张辉.重卡外饰件轻量化设计方法研究.陕西重型汽车有限公司汽车工程研究院，2020.
图5 最大变形分析结果（标杆产品最大变形分析详见图1、图2）DCPD-顶1位移云图变形量11.31mm
变形量13.4mm 变形量10.41mm
变形量12.24mm
变形量12.73mm
变形量6.62mm 变形量4.44mm
DCPD-左4位移云图DCPD-左5位移云图DCPD-右6位移云图DCPD-右7位移云图DCPD-顶2位移云图DCPD-顶3位移云图
图7 PDCPD产品X向、Y向及Z向振动分析结果
X 向振动：DCPD 方案顶导流罩本体最大应力4.86MPa，安全系数
3.5
Y 向振动：DCPD 方案左扰流板最大应力13.203MPa，安全系数
1.29
Z 向振动：DCPD 方案顶导流罩本体最大应力25.21MPa，安全系数0.67
图6 PDCPD产品扶手受力工况及风压工况分析结果
扶手工况：PDCPD 左绕流板本体最大应力17.7MPa，安全系数
0.95
风压工况：DCPD 方案顶导流罩本体
最大应力4.05MPa，安全系数4.2
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