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摘要：對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行簡(jiǎn)單論述，以汽車(chē)前車(chē)門(mén)為研究對(duì)象進(jìn)行碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鋪層形式進(jìn)行研究。經(jīng)仿真分析，碳纖維前車(chē)門(mén)的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度、碰撞侵入量和速度均得到了明顯的提升，并且重量降低了54.94%。  引言 汽車(chē)輕量化作為有效的節(jié)能和環(huán)保措施，在未來(lái)十年來(lái)成為汽車(chē)行業(yè)大力發(fā)展的趨勢(shì)，其中碳纖維復(fù)合材料在輕量化上有極大的優(yōu)勢(shì)將作為節(jié)能和新能源汽車(chē)領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。 1 碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能 新材料碳纖維具有優(yōu)異的力學(xué)性能，較高比重、強(qiáng)度和模量，在滿(mǎn)足相同性能下，具有較大的減重空間，同時(shí)也可減少裝配零件數(shù)量。在碳纖維結(jié)構(gòu)分析中，定義任一層壓板的力學(xué)性能，都能表示成等價(jià)的均勻各項(xiàng)異性板元或殼元，運(yùn)用層壓板的中面應(yīng)變和曲率理論確定各層的應(yīng)力。 2 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)設(shè)計(jì) 碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)車(chē)門(mén)中已開(kāi)始應(yīng)用，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層優(yōu)化在滿(mǎn)足性能和裝配的前提下可實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)大幅減重。技術(shù)方案為內(nèi)外板集成部分零件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)特征，取消工藝孔，實(shí)現(xiàn)減重目的。 2.1 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)外板設(shè)計(jì) 整合前車(chē)門(mén)外板總成，外板A面和周邊配接的安裝孔不變，外層織物單層厚度0.21mm，其余單向帶單層厚度0.145mm。遵循鋪覆對(duì)稱(chēng)，外板鋪層±45°，成對(duì)出現(xiàn)，單層數(shù)不超總層數(shù)60%原則。主外板鋪層為[±45/45/0/-45/90/-45/0/45]；門(mén)把手處鋪層為 [±45/45//-45//-45//45]；周邊密封處鋪層為[±45/45///90///45]，如圖 1 所示。  圖1 復(fù)合材料內(nèi)板設(shè)計(jì) 2.2 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)內(nèi)板設(shè)計(jì) 碳纖維復(fù)合材料車(chē)門(mén)內(nèi)板主厚度為2mm，在卡扣接面、門(mén)鎖安裝面等處減??；保留定位孔、安裝孔、過(guò)孔、安裝面不變；內(nèi)板與外板膠粘處增厚處理；簡(jiǎn)化內(nèi)板結(jié)構(gòu)，優(yōu)化鋪覆性；門(mén)鎖、鉸鏈和限位器加強(qiáng)板集成到內(nèi)板一體成型；復(fù)材窗框加強(qiáng)板膠粘內(nèi)板。  圖2 前車(chē)門(mén)復(fù)材內(nèi)板一體成型及局部變厚度設(shè)計(jì) 內(nèi)板多種鋪層厚度，單層厚度0.145mm，各鋪層為：灰色[-45/0/45/90/45/0/-45]s共14層2.03mm厚；粉紅色[-45/0/45/90/45//-45/-45/0/45/90/45/0/-45]共13層1.885mm厚；大紅色[-45/0/45/90/45//-45]s共12層1.74mm厚；深藍(lán)色[-45/0///45//-45]s共8層1.16mm厚；綠色[-45/0//90/45/////45///0/-45]共7層1.015mm；橘黃色[-45////45/0////45////-45]共5層0.725mm；黃色[-45////45///]s共4層0.58mm。車(chē)門(mén)總成重量8.21kg，減重10.01kg，減重比54.94%，達(dá)到輕量化設(shè)計(jì)目的。 3 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)性能分析 通過(guò)傳統(tǒng)前車(chē)門(mén)各工況的性能結(jié)果，確定碳纖維復(fù)合材料車(chē)門(mén)需要達(dá)到的力學(xué)性能。  3.1 建立碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)有限元模型 通過(guò)hypermesh軟件建立前車(chē)門(mén)有限元模型，采用分塊處理不等厚模型，各區(qū)塊Prop屬性輸入鋪層信息和材料信息。  表1 復(fù)合材料單向帶性能表 3.2 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)模態(tài)分析 汽車(chē)前車(chē)門(mén)的模態(tài)分析主要考察一階彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率內(nèi)外板局部模態(tài)，避免發(fā)生模態(tài)耦合。  圖3 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)自由模態(tài)云圖  圖4 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)約束模態(tài)云圖 如表2，從分析結(jié)果可知復(fù)材方案結(jié)構(gòu)在自由模態(tài)和約束模態(tài)下各考查模態(tài)滿(mǎn)足性能要求。  表2 前車(chē)門(mén)模態(tài)分析結(jié)果表 3.3 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)剛度分析 汽車(chē)前車(chē)門(mén)應(yīng)有足夠的剛度，避免出現(xiàn)大的變形而影響密封性。前門(mén)剛度分析為垂直、扭轉(zhuǎn)、窗框、腰線載荷下的靜剛度，分析結(jié)果如圖5和表3所示。 從分析結(jié)果可知，復(fù)材方案各項(xiàng)剛度性能均強(qiáng)于金屬車(chē)門(mén)，能夠滿(mǎn)足性能要求。  圖5 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)各位移剛度云圖 3.4 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)強(qiáng)度分析 前車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)的靜態(tài)強(qiáng)度分析為驗(yàn)證前車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)的可靠及耐久性能，通常為過(guò)開(kāi)和下垂靜強(qiáng)度分析。 （1）碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)靜強(qiáng)度分析 截取白車(chē)身模型，全開(kāi)66度；約束截面和炮塔處SPC1-6；首先加載車(chē)門(mén)自重G分析，其次保持自重G，鎖扣處沿外板面垂向加400N力分析，再次保持自重G，卸載鎖扣處力卸載分析。  圖6 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)靜強(qiáng)度位移云圖  表4 前車(chē)門(mén)過(guò)開(kāi)靜強(qiáng)度分析結(jié)果表 （2）碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)下垂靜強(qiáng)度分析 截取白車(chē)身模型，車(chē)門(mén)微開(kāi)15°和全開(kāi)66°工況；約束截面和炮塔處SPC1-6，鎖扣處外板垂向自由度；首先加載車(chē)門(mén)自重G分析，其次保持自重G，鎖扣處Z向加1000N力分析，再次保持自重G，卸載鎖扣處力卸載分析。 圖7 碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)開(kāi)啟15°下垂位移云圖 表5 前車(chē)門(mén)下垂靜強(qiáng)度分析結(jié)果表 從分析結(jié)果可知，復(fù)材方案過(guò)開(kāi)和下垂靜強(qiáng)度性能均強(qiáng)于金屬車(chē)門(mén)，能夠滿(mǎn)足性能要求。 3.5 碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)側(cè)面碰撞分析 整車(chē)側(cè)面碰撞按C-NCAP2018新版碰撞法規(guī)進(jìn)行，質(zhì)量1400kg臺(tái)車(chē)、速度50km/h的大臂障側(cè)面碰撞，考察假人肋骨（1-9點(diǎn)）、腹部（10-13點(diǎn)）和盆骨（14-15點(diǎn)）在車(chē)門(mén)內(nèi)板對(duì)應(yīng)點(diǎn)的侵入量和侵入速度。 從表6可見(jiàn)，碳纖維復(fù)合材料側(cè)面碰撞可以達(dá)到金屬侵入量和侵入速度性能要求，滿(mǎn)足C-NCAP2018版?zhèn)让媾鲎卜ㄒ?guī)要求。 表6 前車(chē)門(mén)侵入量和侵入速度結(jié)果表 4 結(jié)束語(yǔ) 本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)能行進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，然后根據(jù)碳纖維的特點(diǎn)設(shè)計(jì)不等厚的碳纖維復(fù)合材料前車(chē)門(mén)總成，并對(duì)其進(jìn)行模態(tài)、剛度、靜強(qiáng)度、側(cè)碰安全方面進(jìn)行性能分析，達(dá)到減重54.94%的輕量化效果，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)目的要求。 聯(lián)系我們 本文來(lái)源： |
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