碳纖維復合材料汽車保險杠橫梁碰撞的力學性能研究

張瑞，施偉辰

（上海海事大學，上海 201306）

碳纖維復合材料汽車保險杠橫梁碰撞的力學性能研究

張瑞，施偉辰

（上海海事大學，上海 201306）

汽車工業中節能減排已成為各個汽車制造公司追求的重大目標，而輕量化研究對汽車的節能減排有著極為重要的意義。如今，新材料的應用讓汽車輕量化的發展進入一個新的時代。在國外，碳纖維復合材料在汽車保險杠上的應用有著較多的研究。文章討論一種由碳纖維復合材料制造的一種汽車保險杠在受到沖擊時表現出的力學性能，通過UG建立汽車保險杠與擺錘碰撞的模型，用ansys對模型進行前處理，利用IS-DYNA進行求解計算，通過lsprepost分析保險杠橫梁在碰撞過程中的時間-位移曲線和應力應變云圖，得出碳纖維復合材料汽車保險杠橫梁在碰撞時的力學性能，為其優化設計提供依據。

碳纖維復合材料；保險杠；碰撞；輕量化

CLC NO.:U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-74-03

前言

碳纖維復合材料具有較高的比強度、比剛度、比吸能、可設計性強等許多優異特性。與傳統的汽車保險杠材料比，碳纖維復合材料的質量更小。碳纖維復合材料比鋼輕50%左右，它的能量吸收能力是鋼或鋁的4-5倍。使用碳纖維復合材料制造汽車保險杠，能夠有效降低汽車油耗，同時還會提高對乘車人的保護功能，具有很高的研究價值和使用價值。

在國內，王新峰利用有限元分析，從單胞尺度、到纖維束尺度、再到構件尺度多方面進行了漸進損傷分析，進而探索出機織復合材料剛度、強度等問題。原梅妮對復合材料的了力學性能進行了探討，她使用了格林函數和有限元多尺度分析方法，模擬其微區應力分布、纖維失效情況和材料宏觀力學性能。借助有限元分析工具，通過多尺度分析，算出隨機分布顆粒增強復合材料的等效力學參數。在國外，Johnson A F建立了基于損傷力學的復合材料單層板的本構模型和界面脫層模型，以分析碳纖維層合板在不同速度沖擊下的響應和損傷。Hou考慮了層合板面外剪應力的影響，在Chang—Chang失效準則的基礎上進行改進，采用實體單元進行了低速沖擊作用下復合材料鋪層板的動態響應和損傷分析。Choi建立了低速沖擊作用下基體開裂和脫層失效準則，分析了復合材料層合板在橫向沖擊作用下基體開裂和脫層損傷的相互作用。

1 彈塑性各向異性材料理論基礎

假設小變形時碳纖維復合材料的應變ε可以分解為彈性應變εe和塑性應變εp

其中P0為初始塑性應變，一般該應變可忽略不計。

假設碳纖維復合材料滿足廣義Mises屈服準則FP

式中R0-塑性強化初始閾值；

R（P）-強化閾值增量。

式中S-各向異性塑性常數張量；

S-各向異性塑性有效常數張量。

也就是有效應變可分解為有效彈性應變和有效塑性應變之和。

2 保險杠模型建立

根據國標GB17354-1998規定的低速碰撞實驗標準，在三維制圖軟件UG中建立碰撞器的模型，在此基礎上建立碳纖維汽車保險杠橫梁和吸能盒模型，將模型導入ANSYS前處理模塊進行進行有限元網格劃分，橫梁采用殼體單元shell163進行網格劃分，碰撞器為實體，采用solid164單元劃分，并對各部件賦予材料與屬性，得到碰撞系統有限元模型，如圖 1所示。然后對模型的接觸、約束、時間步長等計算參數進行設置，生成K文件，導入ls-dyna求解器中計算。

保險杠橫梁采用碳纖維復合材料構成，所選材料為T300/5208，具體材料參數如表 1所示，碳纖維鋪層方式采用（±45°/0°/90°），總厚度為8mm。

表1 碳纖維復合材料屬性

3 碰撞結果分析

仿真過程中擺錘固定，保險杠以4Km/h的速度撞擊擺錘。通過LS-PROPOST軟件查看結果分解。圖2為保險杠橫梁的位移與時間圖像。0.0142秒時保險杠與擺錘接觸。從圖2中看出接觸過程中，保險杠速度降低。

圖2 保險杠橫梁的位移與時間

汽車保險杠橫梁在碰撞時壓力是不斷變化的，通過圖3到圖5看出0.02s-0.08s四個時刻的Contours of pressure逐漸增大，壓力集中從橫梁中部到旁邊區域變化，最大受力點也有所變化。

圖3 0.02s Contours of pressure 分布圖

圖4 0.04s Contours of pressure 分布圖

圖5 0.06s Contours of pressure 分布圖

圖6 0.08s Contours of pressure 分布圖

通過圖像對不同時刻保險杠橫梁的應力分析，圖 7到圖10顯示了四個時刻的 Z-stress 應力云圖。保險杠系統在0.0142 s 時刻起開始擺錘接觸，在接觸過程中，應力集中發生變化。但主要集中在保險杠吸能盒與保險杠橫梁接觸部位。

圖7 0.02s z-stress分布圖

圖8 0.03s z-stress分布圖

圖9 0.04s z-stress分布圖

圖10 0.05s z-stress分布圖

分析不同時刻保險杠橫梁的應變情況。圖11到圖12顯示了相應應力時刻的塑性應變。圖中從0.02s開始，每隔00.1s，進行一次塑性應變分析。圖中發現最大塑性變形是先增大后減小的。最大塑性變形集中在橫梁與擺錘接觸部位和吸能盒底端與車身接觸部位，該部位也是應力集中明顯的部位。

圖11 0.02s塑性變形圖

圖12 0.03s塑性變形圖

圖13 0.04s塑性變形圖

圖14 0.04s塑性變形圖

4 結論

通過對碳纖維復合材料用作汽車保險杠橫梁力學的分析研究，希望為汽車保險杠的設計提供參考。根據圖中分析，汽車保險杠在對中碰撞發生時，應力集中在保險杠橫梁中部，該位置要承受較大沖擊，在承擔后續的碰撞中起到重要的作用。

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Mechanical properties study of the collision of carbon fiber composite car bumpers

Zhang Rui, Shi Weichen
( Shanghai maritime university, Shanghai 201306 )

Energy conservation and emission reduction in automobile industry has become the major goals of automobile manufacturing company, and lightweight research of automobile energy conservation and emissions reduction has very important significance.Nowadays, the application of new materials for the development of the automotive lightweighting into a new era.Abroad, the application of carbon fiber composite materials in the bumper with more research.This paper discusses a kind of carbon fiber composite material made of a car bumper showed the mechanical properties during the impact, through the establishment of bumper and UG pendulum collision model, pretreatment with ansys model, use IS to solve anti-blasting calculations, by analyzing lsprepost bumper beams in the process of collision time-displacement curve and stress strain contours, carbon fiber composite bumper beams at the collision when the mechanical performance, provide the basis for the optimization design.

Carbon fiber composite materials; bumper; crash; lightweight

U465

A

1671-7988 (2017)13-74-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.023

張瑞，就讀于上海海事大學。