碳纖維復合材料緩沖梁的研制

郭 濤

(上海耀華大中新材料有限公司,上海201703)

碳纖維復合材料緩沖梁的研制

郭 濤

(上海耀華大中新材料有限公司,上海201703)

本文介紹了碳纖維復合材料緩沖梁的選材、CAE分析及成型方法。并對所開發的碳纖維緩沖梁與原結構緩沖梁的試驗進行對比與分析，結果表明：在滿足低速碰撞和脫鉤試驗的情況下，使用碳纖維結構的緩沖梁減重達到25%。

碳纖維；夾層結構；緩沖梁；真空導入

1 引 言1.1 汽車輕量化的意義

隨著燃料價格上漲，石油儲量減少以及汽車排放對全球環境的危害，控制排放和改善優化汽車燃油經濟性現在已成為全球汽車生產商的第一要務,以“安全、節能、環保”為主題開展措施，輕量化技術可以實現節約能源、減少有害氣體排放，順應社會的發展。而通過使用替代材料(如鎂鋁合金、高強度鋼和復合材料)，優化結構以減少組成部件的數量，來進行汽車輕量化是解決問題的方法之一。研究表明，汽車質量減少10%，就可以節約燃料10%～20%。[1]同時，減輕汽車質量可以提高整車性能、安全性和穩定性。碳纖維復合材料與傳統鋼材相比，其性能優勢明顯，密度是鋼材的1/5，目前鋼鐵材料約占車體質量的3/4，因而碳纖維材料的汽車與現有汽車相比，減重最多可達到40%[2]。

1.2 碳纖維復合材料在汽車上的應用情況

近年來，碳纖維復合材料在汽車防撞吸能結構，汽車車門、汽車翼子板、汽車引擎蓋、汽車座椅、儲氫罐、傳動軸等均已有應用[3]。目前，制造轎車保險杠橫梁的材料一般為金屬材料(如高強度鋼、鋁合金、鎂合金等)，大多數保險杠用的是防撞鋼梁。而目前隨著輕量化的發展趨勢，輕金屬和非金屬材料也開始應用在汽車保險杠上，如GMT材料保險杠已在韓國現代、福特公司批量裝配并且有很好的效果。近年來，碳纖維復合材料的優勢被人們看好，如碰撞吸能性好。碳纖維復合材料是汽車金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車身質量的同時還能保證不損失強度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來的汽車安全系數降低的風險。圖2是碳纖維復合材料和其他材料碰撞中對能量吸收率的對比[4]。

圖1 不同材料得產品質量對比

圖2 能量吸收率/(kJ·kg-1)

2 緩沖梁產品分析

基于客戶提供的數據基于設計要求，產品滿足原部件的使用功能要求，項目減重目標為(減重15%-30%)。

圖3 緩沖梁系統

(1)拖鉤塊結構采用鋁合金材料設計，分為前部、后部和套筒三部分，通過焊接方式連接；

(2)前部結構和后部結構通過預埋的方式與保險杠本體結構一體成型；在套筒外部也包覆碳纖維復合材料，保證整體性；

(3)套筒內部為螺紋，與脫鉤配合。

3 材料選擇

材料分為樹脂及其固化體系和碳纖維以及夾層

泡沫。

樹脂選擇：與其他種類樹脂相比，環氧樹脂與進行了表面處理的碳纖維之間有著較好的浸潤能力和粘結力，形成的復合材料具有較好的力學性能，同時環氧樹脂具有固化收縮率低、放熱峰低等特點。本產品采用真空導入工藝進行成型，所以我們初步選擇了Hunsman3585和1564兩種樹脂進行篩選。

碳纖維種類選擇：增強材料是復合材料的主要組成部分，它在復合材料中起著承受載荷作用，并能提高樹脂基體的耐熱和耐磨等性能，增強材料還有減少復合材料成型過程中的收縮率，提高制品硬度等作用。針對汽車緩沖梁對材料的要求，本文選用了T300 3K平紋布,拉伸強度3.5 GPa,拉伸模量230 GPa。

泡沫夾芯：填充泡沫的密度變化范圍大，力學性能也隨之變化，根據具體的分析結果以及減重目標確定。當密度為30 kg/m3時，質量為0.111 kg。選用EPP30泡沫。EPP泡沫具有質輕，是一種高科技環保泡沫材料，具有高強度，高回彈性，耐沖擊耐腐蝕不易破損、價格低廉等優點，現已廣泛應用于汽車保險杠系統中。

配方的確定

表1 不同的環氧體系配方

其中，配方1的凝膠時間滿足于真空導入成型，且符合保險杠零件對材料的要求。

表2 不同配方的力學性能

結論：配方一樹脂體系的力學性能更為優異，適合用來制作碳纖維緩沖梁。

4 復合材料鋪層設計

鋪層設計是夾層結構設計的一項重要內容，的強度、剛性、穩定性、工藝均與鋪層有密切聯系。

①低速碰撞吸能區域，厚度為3.5 mm，增強保險杠系統抵抗壓縮載荷的能力；[03/452/04/452/03]；RCAR碰撞吸能區域，厚度為3.5 mm，增強保險杠系統的吸能特性,[03/452/04/452/03]；

②抵抗變形區域1，厚度為2.5 mm，[02/452/02/452/02] ；

③抵抗變形區域2，厚度為3.0 mm，保證保險杠系統碰撞中不發生整體失效，[02/452/04/452/02] ；

④背板，厚度為6.0 mm，保證保險杠系統的強度性能，[04/454/08/454/04]。

圖4 緩沖梁的鋪層情況

5 CAE分析

有限元網格模型

保險杠系統性能要求

(1)NVH性能要求——一階模態頻率大于25 Hz；

(2)強度性能要求——各工況下應力結果均不超過材料的強度極限；

(3)滿足碰撞安全性能要求 。

5.1 自由模態分析

表3 各階頻率

圖5 自由模態分析云圖

結論：一階模態頻率大于25 Hz ，滿足NVH性能要求。

5.2 強度性能分析

各工況下應力結果均不超過材料的強度極限

圖6 工況6加載方向示意圖注 ：加載力為50%的滿載質量；工況1和4為全局坐標系下脫鉤受拉和受壓；工況2,3,5和6，其受力方向同XY平面夾角均為向下5°，同XZ平面夾角為25°。

表4 各工況下的應力、應變情況

工況S11/MPaS22/MPaS12/MPa拖鉤MaxMinMaxMinMaxMinMises/MPaLoadcase176.59-32.8186.11-40.437.10-6.82139.70Loadcase271.87-48.6185.68-49.657.90-6.21141.40Loadcase397.54-40.1692.59-45.268.42-6.89133.50Loadcase478.87-30.57114.20-50.227.12-7.14139.70Loadcase580.36-27.4396.06-41.647.95-6.39141.90Loadcase696.17-39.28121.50-56.509.83-8.61133.70強度/MPa)540-220540-22045-45—工況E11E22E12MaxMinMaxMinMaxMinLoadcase17.75E-04-2.49E-031.42E-03-2.84E-032.31E-03-2.14E-03Loadcase26.76E-04-2.43E-031.23E-03-3.02E-032.57E-03-2.13E-03Loadcase39.89E-04-2.85E-031.53E-03-3.35E-032.74E-03-2.25E-03Loadcase48.92E-04-2.51E-031.30E-03-3.53E-032.31E-03-2.32E-03Loadcase51.32E-03-2.50E-031.47E-03-3.32E-032.58E-03-2.08E-03Loadcase61.27E-03-3.40E-031.29E-03-4.08E-033.19E-03-2.80E-03失效應變1.17E-02-1.10E-021.17E-02-1.10E-025.00E-025.00E-02

結論：6種工況下最大應力及應變結果均小于選定復合材料的測試結果，材料的強度滿足要求。

5.3 碰撞安全性能性能分析

由上海交大對緩沖梁系統性能評估結果可知，所設計的緩沖梁系統結構在給定的材料體系下：

NVH性能要求：滿足一階頻率大于25 Hz的要求；

圖7 碰撞示意圖

圖8 碰撞對比分析

強度性能要求：6種工況下，計算得到的應力和應變結果均滿足材料的強度要求；

碰撞安全性能要求：在低速對中碰撞過程中，保險杠緩沖梁未出現失效的情況；低速角度碰撞時，局部材料發生失效，但并未出現整體失效的情況；碳纖維復合材料保險杠系統低速碰撞安全性能優于原結構鋁合金緩沖梁的碰撞安全性能。

6 成型工藝

產品采用真空導入成型，脫鉤塊結構通過預埋方式與緩沖梁本體結構一體成型，套筒外部包覆碳纖維復合材料，保證整體性，套筒內部為螺紋，與脫鉤配合。

成型工藝流程圖：

圖9 緩沖梁成型工藝流程圖

7 驗證與分析

輕量化效果：原結構鋁合金緩沖梁為2.66 kg，現有碳纖維復合材料結構緩沖梁1.99 kg，減重25%，滿足最初設定要求。

滿足拖鉤與車身連接處強度標準：《SMTC 4 500 010 拖鉤與車身連接處強度分析標準》 。

按照《 GB17345-1988標準 汽車前/后端保護裝置、RCAR 低速碰撞測試》，排氣結構、動力系統、懸架系統均沒有損壞，測試結果滿足要求。

[1] 趙敏.改性聚丙烯新材料[M].北京：化學工業出版社，2010.

[2] 高國強.碳纖維增強復合材料在汽車工業中的應用[C]//中材科技，2013：4-6.

[3] 余嬡權，盧朕.碳纖維復合材料在汽車行業的應用[J].上海汽車，2013(7)：52-55.

[4] 張振明.變厚度復合材料汽車防撞梁優化設計研究[D].長沙：湖南大學碩士學位論文.2014.

Development and Manufacture of the Carbon Fiber Composite Bumper Beam

GUO Tao

(YDAM,Shanghai 201703)

This artice introduces the material selection,CAE analysis manufacturing process of the bumper beam.Compared the carbon fiber bumper beam with the original structure of the beam,the weight of the carbon fiber bumper beam decreased by 25%.

carbon fiber; sandwich structure; bumper beam; VIMP

徐貴海(1993-)，男，山東人，本科。研究方向：紡織品及紡織復合材料。E-mail：13820624149@163.com.

王春紅(1980-)，博士，副教授，碩士生導師，研究方向：秸塑復合材料，綠色環保功能型纖維、紡織品及紡織復合材料。E-mail：18802231369@163.com.

2015-08-13)

工藝研究