某新能源汽車復合材料前車門輕量化設計

朱增余　江晶晶　范冬冬　趙春　侯亞卓

摘 要：本文以汽車前門作為研究對象，以碳纖維結構設計及鋪層形式進行研究。經過仿真分析表明，碳纖維前車門的模態、剛度、強度都得到了明顯的提升，在滿足性能要求的基礎上，重量得到了減輕，實現了輕量化的目的。

關鍵詞：碳纖維復合材料 前車門 輕量化 模態識別

1 引言

近年來，使用復合材料已經成為汽車輕量化的重要措施，也更加貼合一直倡導的汽車環保化，節能化發展趨勢，是未來汽車發展的前進方向。碳纖維復合材料是以碳纖維為增強材料，以樹脂、金屬、陶瓷為基體材料，經過復合成型制成的復合結構材料，與傳統的金屬材料相比，其具有密度小、比強度高、耐腐蝕、抗疲勞、便于設計、易于大面積整體成型等優點。

應用碳纖維復合材料是目前解決燃油車和新能源汽車減重的最好途徑之一，可使汽車減重30%～60%。碳纖維復合材料已在高端車，超跑，賽車，改裝車，限量版車型以及少量的電動車上大量應用，主要應用于汽車車身，制動器襯片，燃料貯罐，座椅加熱墊，傳動軸，輪轂等部位。

2 復合材料力學性能

復合材料具有非均勻的力學性能且強度和剛度性能表現為各向異性與隨機性;復合材料相比于傳統金屬材料而言其單位質量的強度和模量高，承載能力好，在滿足相同性能下，具有較大的減重空間，同時也可減少零件數量。因此，選擇使用復合材料制造車門，是汽車輕量化的重要手段之一。

3 復合材料汽車前車門力學性能分析

在有限元分析中，為了減少網格數量，只選擇其中的結構件來做分析。

3.1 復合材料前車門有限元模型建立

復合材料在車門上已經開始使用，通過結構設計和鋪層優化在滿足性能和裝配的前提下可實現車門大幅減重。技術方案為內外板集成部分零件，簡化結構特征，取消工藝孔，實現減重目的。

在有限元前處理軟件中，通過復合材料建模模塊支持的Ply+Stack方式可以定義出非常直觀的復合材料鋪層。在Ply卡片中可以精確定義每一層鋪層的鋪層區域以及每一鋪層的厚度，每一層的鋪層屬性定義完成之后，用Stack卡片將定義完成的Ply卡片按照一定排列順序疊加在一起，通過這兩種卡片就可以實現復合材料的精確的可視化定義。其有限元模型如圖1所示。

3.2 復合材料前車門模態分析

按照識別信號域的不同可將結構模態的識別方法劃為頻域方法、時域方法和時頻域方法。其中，頻域類方法是將時域信號轉換為頻域上的信號，進行模態識別的方法;時域方法是直接根據結構的實測時間響應在模態中識別，主要識別參數包括振動頻率、阻尼和振型等。本次主要研究車門局部模態頻率，避免發生模態耦合，引起共振。 模態分析結果如表1至表4所示：

3.3 復合材料前車門剛度分析

汽車前車門應該有足夠的剛度，避免出現大的變形而影響車門的密封性，其中車門的剛度分析如表5所示。

3.4 復合材料前車門強度分析

通過前車門的靜強度分析可以驗證結構的耐久性與可靠程度，此次通過車門過載全開分析來校核車門強度。

工況一：

車門開啟到最大角度，結構帶車門鉸鏈，限位器。從車身上車門的鉸鏈安裝點出發，分別沿正負X向和Y向截取約400mm的白車身有限元模型，在白車身斷面約束SPC123。首先，在局部坐標系下的鎖扣位置約束車門轉動，對車門施加1G重力，接著保持重力，釋放車門轉動，在鎖芯處沿車門開啟方向施加載荷225N;再次保持重力，卸載鎖芯處的載荷，進行分析。

工況二：

車門開啟到最大角度，結構帶車門鉸鏈，限位器和車門有限元模型。從車身上車門的鉸鏈安裝點出發，分別沿正負X向和Y向截取約400mm的車身有限元模型，在白車身斷面約束SPC123。首先，在局部坐標系下的鎖扣位置約束車門轉動，對車門施加1G重力，接著保持重力，釋放車門轉動，在鎖芯處沿車門開啟方向施加載荷0.48*L（其中L為鎖芯到上下鉸鏈軸連線的垂直距離）;再次保持重力，卸載鎖芯處的載荷，進行分析。

4 復合材料前車門輕量化與結果對比

通過模態分析結果可知，復合材料的前車門響應分析識別出前車門一階扭轉模態為57.56Hz，一階彎曲模態為55.76Hz，均滿足NVH的目標要求。通過之前計算分別得到了復合材料的靜態剛度性能與自由模態下個模態振動頻率。整個復合材料車門重量為11.29kg，鋼鐵材料車門為15.451kg，在滿足實際要求的基礎上，減重4.161kg。

5 結語

本文對碳纖維復合材料力學性能行進行了簡要論述，并對其模態、剛度、靜強度方面進行性能分析，與鋼鐵材料車門性能參數對比，得出復合材料車門的性能優于鋼鐵材料車門，對比鋼鐵材料車門和復合材料輕量化車門的質量，車門減輕了4.161kg 的質量，輕量化率達到了 26.9%，達到減重的輕量化效果，實現了碳纖維復合材料減重設計的目的要求。

項目來源：該項目為廣東省重點領域研發計劃項目2019B090911003;肇慶市對接國家和省重大科研項目專項2018K004。

參考文獻：

[1]李永湘，許天輝，王光艷.汽車車門輕量化設計研究現狀及其技術措施[J].山東工業技術， 2019，No.280，33-34.

[2]葉輝，劉暢，閆康康.纖維增強復合材料在汽車覆蓋件中的應用[J].吉林大學學報（工學版），2020，v.50; No.208，34-42.

[3]周波，李波，鄭挺，李書鵬.汽車用SMC材料性能分散性研究[J].汽車工藝與材料，2020，No.380，61-64.