摘要：對碳纖維復合材料力學性能及結構設計要求進行簡單論述，以汽車前車門為研究對象進行碳纖維結構設計及鋪層形式進行研究。經(jīng)仿真分析，碳纖維前車門的模態(tài)、剛度、強度、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%。

新材料碳纖維具有優(yōu)異的力學性能，較高比重、強度和模量，在滿足相同性能下，具有較大的減重空間，同時也可減少裝配零件數(shù)量。在碳纖維結構分析中，定義任一層壓板的力學性能，都能表示成等價的均勻各項異性板元或殼元，運用層壓板的中面應變和曲率理論確定各層的應力。

碳纖維復合材料在汽車車門中已開始應用，通過結構設計和鋪層優(yōu)化在滿足性能和裝配的前提下可實現(xiàn)車門大幅減重。技術方案為內(nèi)外板集成部分零件，簡化結構特征，取消工藝孔，實現(xiàn)減重目的。

圖1 復合材料內(nèi)板設計

2.2 碳纖維復合材料前車門內(nèi)板設計

碳纖維復合材料車門內(nèi)板主厚度為2mm，在卡扣接面、門鎖安裝面等處減??；保留定位孔、安裝孔、過孔、安裝面不變；內(nèi)板與外板膠粘處增厚處理；簡化內(nèi)板結構，優(yōu)化鋪覆性；門鎖、鉸鏈和限位器加強板集成到內(nèi)板一體成型；復材窗框加強板膠粘內(nèi)板。

圖2 前車門復材內(nèi)板一體成型及局部變厚度設計

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。車門總成重量8.21kg，減重10.01kg，減重比54.94%，達到輕量化設計目的。

通過傳統(tǒng)前車門各工況的性能結果，確定碳纖維復合材料車門需要達到的力學性能。

3.1 建立碳纖維復合材料汽車前車門有限元模型

通過hypermesh軟件建立前車門有限元模型，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 復合材料單向帶性能表

汽車前車門的模態(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 碳纖維復合材料前車門自由模態(tài)云圖

圖4 碳纖維復合材料前車門約束模態(tài)云圖

如表2，從分析結果可知復材方案結構在自由模態(tài)和約束模態(tài)下各考查模態(tài)滿足性能要求。

表2 前車門模態(tài)分析結果表

圖5 碳纖維復合材料前車門各位移剛度云圖

圖6 碳纖維復合材料前車門過開靜強度位移云圖

圖7 碳纖維復合材料前車門開啟15°下垂位移云圖

表5 前車門下垂靜強度分析結果表

表6 前車門侵入量和侵入速度結果表

本文對碳纖維復合材料力學能行進行了簡要論述，然后根據(jù)碳纖維的特點設計不等厚的碳纖維復合材料前車門總成，并對其進行模態(tài)、剛度、靜強度、側碰安全方面進行性能分析，達到減重54.94%的輕量化效果，實現(xiàn)了碳纖維復合材料設計目的要求。