碳纖維復合材料在純電動轎車上的應用

張寶杰

河南速達電動汽車科技有限公司產品工程部 河南省三門峽市 472000

1 引言

進入21世紀以來，能源危機日趨嚴重，世界各國的排放法規日益嚴格，如何在保證安全性和動力性的前提下降低油耗和減少排放是目前汽車工業迫切需要解決的問題。采用各種輕質材料取代金屬等傳統材料，使汽車輕量化是實現節能減排的重要途徑。碳纖維復合材料憑借輕質、高強度、高剛度、抗振性能好、抗疲勞、耐腐蝕等眾多優點，越來越受到汽車工業的重視，在汽車中的應用也越來越多。碳纖維及其復合材料是支撐國家高科技產業發展的關鍵材料，經過40多年的積累與發展，我國碳纖維及其復合材料研發擁有眾多突破性進展，但在汽車領域的應用還遠落后于航空航天和其他工業領域。因此有必要分析碳纖維復合材料在我國汽車工業應用中存在的問題，提出合理的發展對策，以適應汽車工業對材料發展的迫切需求。

純電動轎車輕量化的意義：不僅可以節能減排，而且在同樣的電池重量下，輕量化可以增加電動車的續駛里程；如保持同樣的續駛里程，則可以減少電池的重量，這不僅可以減重，還可以大幅度的降低電動車的價格，從而更有利于電動車的推廣應用。

2 碳纖維復合材料的性能特點和使用優勢

CFRP泛指由碳纖維和聚合物樹脂復合而成的碳纖維復合材料，環氧樹脂CFRP其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。CFRP抗拉強度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230Gp到430Gpa亦高于鋼，但它的比重卻不到鋼的1/4，僅為1.8；CFRP的比強度達到2000Mpa以上，而Q235鋼的比強度僅為59Mpa左右，其比模量也比鋼高。CFRP不僅輕而強，輕而鋼而且具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結構尺寸穩定性好以及設計性好、可大面積整體成型等一系列特點，在汽車輕量化中得到不斷增長的應用。CFRP還具有非常卓越的能量吸收性能，從而進一步保證了CFRP車輛的安全。CFRP部件比同類鋼質零部件減重40%以上，卻能夠提供更高的強度。

表1

3 CFRP前艙蓋總成應用實例

4 CFRP前艙蓋剛度分析

4.1 分析目的

分析前艙蓋側向剛度，保證前艙蓋有足夠的側向剛度。

4.2 分析軟件

前處理：h y p e r m e s h；求解器：nastran；后處理：hyperview

4.3 模型描述

（1）用10mm對幾何進行劃分，網格要保證平順性和均勻性，最小尺寸要保證大于4mm，同時滿足其他網格質量要求；（2）前艙蓋的焊點用acm類型單元模擬；（3） 前艙蓋的粘膠用adhesive類型單元模擬；（4）螺栓連接用RBE2單元模擬。

4.4 工況設置

（1）邊界條件：左右兩個下鉸鏈安裝孔約束123456自由度；加載點約束3自由度。（2）載荷：Bumper點右側抓取RBE3，區域為15*15mm，在RBE3中心處Y向加載180N。（3）靜態分析方法。

4.5 分析結果及評價標準

分析輸出位移云圖，關注加載點的Y向位移。加載點Y向位移需要滿足位移小于4mm的評判標準 。

5 CFRP前艙蓋扭轉剛度分析

5.1 分析目的

分析前艙蓋扭轉剛度，保證前艙蓋有足夠的扭轉剛度。

5.2 分析軟件與模型描述與4.2及4.3相同

5.3 工況設置

（1）邊界條件：左右兩個下鉸鏈安裝孔約束123456自由度；左邊bumper點約束3自由度。（2）載荷：右邊Bumper對應外板50*50mm處均布Z向加載100N。（3）靜態分析方法。

5.4 分析結果及評價標準

分析輸出位移云圖，關注加載點的Z向位移。通過計算得出前艙蓋扭轉剛度，扭轉剛度K=F*L/arctg(Z/L)，需要滿足扭轉剛度大于80Nm/deg的評判標準。

6 CFRP前艙蓋模態分析

6.1 分析目的

前艙蓋是整車模型的重要組成部分，考察前艙蓋一階彎曲及一階扭轉模態。

6.2 分析軟件與模型描述與4.2及4.3相同

6.3 工況設置

（1）邊界條件：自由狀態；（2）Nastran求解序列SOL103；（3）求解前6階模態。（4）分析結果及評價標準：前艙蓋模態分析作為車身NVH的分析的一部分，在設計最初確定目標值，通過將分析結果與目標值比較，考察前艙蓋一階彎曲模態及一階扭轉模態是否達到目標值要求。

7 分析結果

7.1 材料信息

材料特性表

7.2 前艙蓋剛度分析結果

位移（mm） 2.67目標值（mm） 4判定 合格

7.3 前艙蓋扭轉剛度分析結果

位移（mm） 3.10扭轉剛度（Nm/deg） 223目標值（Nm/deg） 80判定 合格

7.4 前艙蓋模態分析結果

模態 計算值 目標值 判定一階扭轉（Hz） 35.21 25 合格一階彎曲（Hz） 41.36 34 合格

8 前艙蓋扭轉剛度測試

8.1 環境

試驗在常溫、常壓狀態下進行。

8.2 試驗設備

利用絲杠加載，由位移傳感器控制位移（分辨率0.01mm）、力傳感器控制加載值（分辨率1N），利用輕量化材料應用測試系統（AMM-200-I）采集數據，壓頭半徑R30毫米。

8.3 加載條件

（1）約束：鉸鏈處剛性固定；輔助支撐分別選前艙蓋減震墊安裝點A、B，只約束Z向位移。（2）加載點：分別選擇點B、A加載。（3）加載力：從0加載至200N，形成扭轉力。

8.4 扭轉剛度測試結果

以前艙蓋減震墊位置衡量，碳纖維發動機蓋扭轉剛度為206.35N·m/°。

9 結語

由分析結果可知：前艙蓋剛度滿足要求；前艙蓋扭轉剛度滿足要求；前艙蓋一階彎曲模態滿足要求；前艙蓋一階扭轉模態滿足要求。扭轉剛度測試結果，滿足設計要求。

扭轉剛度測試結果

扭轉裝夾

隨著碳纖維價格的不斷降低和應用技術的發展成熟，碳纖維復合材料將會逐漸取代金屬材料，成為車用材料的主力軍。