碳纖維復(fù)合材料汽車前車門輕量化設(shè)計(jì)與分析

徐作文 陳偉 趙春

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)行簡單論述，以汽車前車門為研究對(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，碳纖維前車門的模態(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%。

關(guān)鍵詞：前車門；碳纖維復(fù)合材料；輕量化；設(shè)計(jì)與分析

中圖分類號(hào)：TB332 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）36-0079-03

Abstract： In this paper， the mechanical properties and structural design requirements of carbon fiber composites are discussed， and the carbon fiber structural design and ply form are studied by taking the front door of automobile as the research object. Through the simulation analysis， the mode， stiffness， strength， impact penetration and speed of the carbon fiber front door have been improved obviously， and the weight of the front door has been reduced by 54.94%.

Keywords： front door； carbon fiber composite material； lightweight； design and analysis

引言

汽車輕量化作為有效的節(jié)能和環(huán)保措施，在未來十年來成為汽車行業(yè)大力發(fā)展的趨勢，其中碳纖維復(fù)合材料在輕量化上有極大的優(yōu)勢將作為節(jié)能和新能源汽車領(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)合材料汽車前車門設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料在汽車車門中已開始應(yīng)用，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層優(yōu)化在滿足性能和裝配的前提下可實(shí)現(xiàn)車門大幅減重。技術(shù)方案為內(nèi)外板集成部分零件，簡化結(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)合材料前車門外板設(shè)計(jì)

整合前車門外板總成，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，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。

2.2 碳纖維復(fù)合材料前車門內(nèi)板設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)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?。槐Ａ舳ㄎ豢?、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(jié)構(gòu)，優(yōu)化鋪覆性；門鎖、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。

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。車門總成重量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)合材料汽車前車門性能分析

通過傳統(tǒng)前車門各工況的性能結(jié)果，確定碳纖維復(fù)合材料車門需要達(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。

3.2 碳纖維復(fù)合材料汽車前車門模態(tài)分析

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。

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)滿足性能要求。

3.3 碳纖維復(fù)合材料汽車前車門剛度分析

汽車前車門應(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)于金屬車門，能夠滿足性能要求。

3.4 碳纖維復(fù)合材料汽車前車門強(qiáng)度分析

前車門結(jié)構(gòu)的靜態(tài)強(qiáng)度分析為驗(yàn)證前車門結(jié)構(gòu)的可靠及耐久性能，通常為過開和下垂靜強(qiáng)度分析。

（1）碳纖維復(fù)合材料汽車前車門過開靜強(qiáng)度分析

截取白車身模型，全開66度；約束截面和炮塔處SPC1-6；首先加載車門自重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。

（2）碳纖維復(fù)合材料汽車前車門下垂靜強(qiáng)度分析

截取白車身模型，車門微開15°和全開66°工況；約束截面和炮塔處SPC1-6，鎖扣處外板垂向自由度；首先加載車門自重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。

從分析結(jié)果可知，復(fù)材方案過開和下垂靜強(qiáng)度性能均強(qiáng)于金屬車門，能夠滿足性能要求。

3.5 碳纖維復(fù)合材料汽車前車門側(cè)面碰撞分析

整車側(cè)面碰撞按C-NCAP2018新版碰撞法規(guī)進(jìn)行，質(zhì)量1400kg臺(tái)車、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)）在車門內(nèi)板對(duì)應(yīng)點(diǎn)的侵入量和侵入速度。

從表6可見，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，滿足C-NCAP2018版?zhèn)让媾鲎卜ㄒ?guī)要求。

4 結(jié)束語

本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)能行進(jìn)行了簡要論述，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)合材料前車門總成，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。

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