汽車復合材料縱梁吸能特性研究＊

朱艷榮 崔岸 葉輝 蒲永鋒

（吉林大學，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

1 前言

近年來，國內外學者對復合材料前縱梁進行了大量的研究。Oliver Tomlin[3]等驗證了熱塑性復合材料應用于低碳汽車的可行性，結果表明有限元軟件LS-Dyna中的58號材料模型一致性較高。Paolo Feraboli[4]等研究了LS-Dyna中54號材料模型正弦波紋板軸向碰撞的模擬，通過改變單元網格大小、退化剛度值等參數設置進行數值仿真和靈敏度分析。Simonetta Boria[5]對汽車復合材料碰撞吸能裝置進行數值模擬，設計了不同長度和厚度的圓形、方形管，為能量衰減裝置提供了設計基礎。龔俊杰[6]等對復合材料圓柱殼準靜態軸向壓縮和低速碰撞過程進行了數值模擬，獲得了反映吸能能力的重要參數，說明采用參數等效的方法可以得到復合材料結構耐撞性設計中需要的吸能參數。

本文的研究基于Hashin失效準則，使用仿真軟件Abaqus進行汽車前縱梁模型正碰仿真分析，對比3種材料的吸能特性，并對復合材料的鋪層進行優化設計。

2 汽車前縱梁模型與仿真方法驗證

根據經驗，傳統汽車鋼制材料前縱梁大多數采用U形結構，而復合材料前縱梁由于其特殊的加工性，較多設計成簡單的管狀或者桁架結構，選用文獻[3]中一種“帽形”前縱梁結構進行試驗驗證和后續仿真與優化。如圖1a所示，縱梁尺寸為375 mm×40 mm×70 mm，翻邊尺寸為10 mm，試件為玻璃纖維增強聚酰胺帽型結構梁，采用的基體材料為聚酰胺，增強纖維采用玻璃纖維。長度L=375 m，鋪層厚度3.52 mm，共16層，剛性墻質量69 kg，剛性墻碰撞前縱梁速度為15.2 m/s，將文獻中模型上方被夾持固定改為仿真中上板與模型粘接連接。雖然對單個吸能原件進行試驗分析與整車試驗有所不同，但其趨勢相似，具有操作意義。按照C-NCAP要求，進行剛性固定壁障仿真模擬，在汽車發生正面碰撞的情況下，研究前縱梁變形與吸能，把梁一端固定于一塊固定剛性板，另一端用同樣性質的剛性板以15.2 m/s的速度碰撞，為了保證壓潰的穩定性，在帽形梁前端開1個正方形槽孔，如圖1b所示。

圖1 帽形前縱梁有限元模型

復合材料帽型梁的數值模擬采用顯式動力學有限元分析軟件Abaqus/Explicit。網格劃分采用了3種單元類型：6 118個S4R單元，3個線性四邊形單元R3D4，44個線性三角形單元S3R。剛性墻采用離散剛體，單元總數接近6 150，計算總時間10 ms。帽形梁采用接觸對算法和通用算法中的自接觸法，移動剛性板與前縱梁采用主從接觸，固定剛性板與前縱梁采用TIED固定連接，約束其所有自由度，帽型梁本身存在自接觸。

通過Abaqus/Explicit仿真可得出力-時間曲線，仿真與試驗結果對比如圖2所示，同時計算出試驗與仿真的載荷數據量化對比結果如表1所示。

圖2 力-時間曲線

表1 試驗與仿真載荷結果對比

由圖2和表1可見，試驗與計算機仿真結果差距在合理范圍內，波形也大致相同，而仿真中的第2個峰值載荷較高，是因為開始時沖擊不穩定，抵抗力較強，而試驗中有夾持裝置，能穩定前進。從第3 ms開始，仿真值一直低于試驗值，是由于本文未考慮夾持裝置的重力，故使得試驗值略高。曲線雖具有差異，但都在合理范圍內，說明該有限元仿真方法是有效的，可利用該方法進行復合材料碰撞性能的對比分析和優化設計。

由于玻璃纖維復合材料為脆性材料[7]，因此破壞方式不同于具有塑性的鋼制材料，如圖3所示，從接觸部分開始出現順序壓潰，并伴隨材料撕裂與飛濺的現象，同時存在少量彎曲，圖3b與圖3a不是同一時刻的結果，其中的失效單元已被刪除，不顯示在圖中。

漂流木在開闊的海上漂浮，開始了它們漫長的旅程，時間長短取決于不同的樹種，最長可歷時17個月。在這段漂泊海上的時間里，這些無根的死木變成了漂浮的珊瑚礁，為多種多樣的海洋生物提供了漂浮水面上的棲息地，其中包括將它們的卵產在浮木上的無翅水黽，水黽是唯一一種生活在開闊海域里的昆蟲。

圖3 玻璃纖維復合材料縱梁壓潰結果

3 吸能特性對比

本文分別選取3種材料進行正面碰撞仿真吸能特性的對比：鋼制材料、玻璃纖維復合材料、碳纖維復合材料。遵循單一變量原則，控制3個模型除材料外，其它參數均相同。3種材料性能參數如表2、表3所示。

表2 鋼材部分性能參數

表3 碳纖維、玻璃纖維復合材料部分性能參數

圖4和圖5所示分別為碳纖維復合材料和鋼制材料壓潰效果，玻璃纖維復合材料壓潰效果如圖3所示。

圖4 碳纖維復合材料壓潰結果

圖5 鋼制材料壓潰結果

由圖3可知，由于鋼制材料模型結構長厚比過大，出現了固定端首先發生塑性層疊變形的現象，而玻璃纖維和碳纖維兩種復合材料壓潰模式相似，都出現了材料撕裂伴隨單元飛濺的現象，證明了材料模型的統一性。

同時由于材料模型的差異，吸能量以及產生載荷的大小也有所不同。圖6所示為三者內能變化對比。

由圖6可以看出，開始變形時，三者吸能量相差不大，隨著壓潰的進行，傳統鋼吸能量隨時間增加較快，并發生塑性變形。玻璃纖維復合材料吸能量隨時間變化最慢，將吸能效果進行量化處理，如表4所示。

圖6 3種材料內能-時間曲線

表4 3種材料吸能結果

吸能特性的優劣，需要綜合多方面來考慮。由表2、表3可知碳纖維復合材料具有較高的比吸能，大約是其它材料的5倍。為實現汽車的輕量化，碳纖維復合材料更具有應用價值，應用于碰撞吸能裝置效率更高。

圖7所示為3種材料的力-時間曲線，三者出現峰值的時間基本一致，但峰值相差甚大，從大到小依次為鋼材、碳纖維、玻璃纖維，且鋼材曲線一直位于復合材料上方，直到第5 ms時由于鋼板速度降為0而突然下降，說明前者平均載荷較高，力的大小表明縱梁吸能能力的大小，直接影響人體損傷程度。且在第1個峰值出現后，曲線首先降低到一個值，這是因為鋼板開始穩定接觸前縱梁模型，之后出現小幅波動，變形模式趨于穩定。

圖7 力-時間曲線

4 鋪層優化與斜碰仿真分析

4.1 鋪層優化

在前人對復合材料鋪層優化研究的基礎上[8]，得出較常用的經典層合板鋪層順序為：[0/45/-45/90]ns、[45/-45/0/90]ns、[45/-45/90/0]ns、[0/90/45/-45]ns。本文針對兩種復合材料進行鋪層優化，前文使用的鋪層角度為0°/90°，16層，考慮到簡單角度會使復合材料在某個方向存在薄弱環節，因此一般由0°、90°、45°、-45°4種鋪層角度構成。本文選擇了經典鋪層順序進行優化，同樣為16 層，即[0/45/-45/90]4s、[45/-45/0/90]4s、[45/-45/90/0]4s、[0/90/45/-45]4s，并分別定義為 ply1、ply2、ply3、ply4，以便描述。保持單一變量原則，通過計算機仿真，分別得到兩種復合材料吸能效果與載荷變化，并與未改變鋪層時的模型進行了對比，如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，鋪層角度的變化對于復合材料吸能量影響較明顯，而對載荷影響不明顯。4種典型鋪層方式吸能量均較原有方式高，載荷峰值都較原有方式有所下降，也就是說沖擊力有所改善，即吸能能力提高。通過計算，玻璃纖維復合材料最大吸能量由1.553 kJ變為1.987 kJ，提高了28%，碳纖維復合材料由4.787 kJ變為5.8 kJ，有21.2%的增幅。

由于鋪層角度由原來的2種（0°、90°）變為4種（0°、90°、45°、-45°），使得梁結構在各個方向上都不太過薄弱，因此可以增加吸能效率，同時也降低了載荷，改善沖擊，減少對人員的傷害。由此，針對該汽車前縱梁模型，Ply3與ply4相對Ply1與Ply2兩種鋪層方案吸能量有所增加，但載荷相差并不明顯，相對具有較優的吸能特性。

圖8 玻璃纖維復合材料4種鋪層與原鋪層方式對比

圖9 碳纖維復合材料4種鋪層與原鋪層方式對比

4.2 斜碰仿真分析

由于復合材料吸能特性不穩定，本文將優化后的鋪層角度分別應用于碳纖維和玻璃纖維復合材料中，并進行30°和15°斜面碰撞仿真分析，驗證復合材料帽型梁在斜碰條件下的吸能特性。材料選擇仍為鋼材、碳纖維復合材料、玻璃纖維復合材料，移動墻的運動方向為其法線方向。考慮到長桿的失穩性，將帽形梁長度改為100 mm，其它參數與前文相同，30°斜碰模型如圖10所示。

圖10 30°斜碰模型

利用前文提出的建模方法進行仿真，得出變形應力云圖，15°斜碰模型結果如圖11所示。

圖11 3種材料模型變形應力云圖（15°斜碰）

由圖11可知：鋼材模型出現了塑性變形，前縱梁前端出現穩定變形；玻璃纖維較碳纖維復合材料縱梁變形與失效嚴重，相同條件下幾乎被完全壓潰，這是因為碳纖維復合材料具有更高的彈性模量與損傷值。

根據計算結果，整理得出2種角度斜碰后的內能時間曲線與載荷時間曲線，如圖12與圖13所示。

將數據進行量化處理，分別得出在2種斜碰角度下3種材料吸能量化結果，如表5和表6所示。

圖12 內能時間曲線與載荷時間曲線（15°斜碰）

圖13 內能時間曲線與載荷時間曲線（30°斜碰）

表5 3種材料吸能結果（15°斜碰）

表6 3種材料吸能結果（30°斜碰）

由圖12、圖13和表5、表6可知，該結果與正碰所得結果相似，鋼材模型吸能量與載荷均為最高，玻璃纖維復合材料模型吸能量與載荷最低，但載荷時間曲線變化趨勢稍有變化，在載荷峰值出現之前，斜碰時出現了較多的小波峰，而正碰時較平滑，這是因為斜碰開始時移動墻只與帽形梁上端部分接觸，完全接觸后，才達到峰值，因此斜碰時峰值出現時間較晚。從吸能率和比吸能值來看，碳纖維復合材料帽形梁的吸能特性最優，說明帶角度斜碰的吸能特性與正碰時基本一致。

5 結束語

本文在大量纖維增強復合材料吸能特性研究與金屬梁吸能設計的基礎上，對復合材料帽型梁吸能特性展開試驗驗證與仿真研究。以不同材料和鋪層模型的碰撞性能為出發點，以提高汽車碰撞吸能性能與輕量化為目的，分析了前縱梁軸向沖擊仿真結果，引入比吸能等指標對仿真吸能特性進行量化對比分析，得到以下結論：

a.通過仿真計算發現，碳纖維復合材料具有較高的比吸能值，表明其吸能效果最強，輕量化效果好，可用于車身輕量化并同時保證碰撞安全性；

b.碳纖維復合材料由于本身具有的高模量、高強度，使得改變鋪層后的吸能量相比玻璃纖維漲幅略小。當碳纖維復合材料應用[45/-45/90/0]4s的鋪層方式，玻璃纖維復合材料應用[0/90/45/-45]4s的鋪層方式時，吸能特性明顯改善，降低了載荷峰值。

c.將正碰優化的鋪層用于15°與30°斜碰模型中進行吸能特性對比分析，結果與正碰效果相似，說明復合材料帽形梁在斜碰工況中也具有較好的吸能特性。

本文中選用的材料均為單一材料，而碳纖維的價格昂貴，后續設計中可添加部分其他材料混合使用。

參考文獻

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