纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車覆蓋件中的應(yīng)用

林枝花

摘 要：本文采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和環(huán)氧樹脂基材料對汽車引擎蓋進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，樣品制作和性能分析。根據(jù)實(shí)際工況的發(fā)動機(jī)罩，最小化目標(biāo)函數(shù)與質(zhì)量、測試性能指數(shù)的鋼罩前為約束函數(shù)，發(fā)動機(jī)罩的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效替代拓?fù)鋬?yōu)化。各種工況下的試驗(yàn)結(jié)果表明，與鋼罩相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩的性能提高，復(fù)合材料罩的重量變輕。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 汽車覆蓋件 材料優(yōu)化

Application of Fiber Reinforced Composite Materials in Automobile Covering Parts

Lin Zhihua

Abstract：In this paper， fiber reinforced composites and epoxy resin-based materials are used to optimize the automobile hood topology， sample making and performance analysis. According to the actual working conditions of the hood， the constraint function of minimizing the objective function and the mass and test performance index of the steel hood front is the constraint function， and the equivalent replacement topology optimization of the hood with fiber-reinforced composite material is achieved. The test results under various working conditions show that， compared with the steel hood， the performance of the fiber reinforced composite hood is improved and the weight of the composite hood is lighter.

Key words：fiber reinforced composite， automobile cover parts， material optimization

隨著人均汽車擁有量的大幅度提升，面對需求量增大，而資源有限的情況下，汽車的輕量化顯得尤為重要。汽車輕量化的優(yōu)點(diǎn)是減少環(huán)境污染，保護(hù)公路，和降低汽車各零件間的磨損，間接增長了使用年限而進(jìn)一步減少了環(huán)境污染。針對以上技術(shù)問題從三個(gè)方面著手，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，還有對工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)效果及資金投入程度，一般采用優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來分析汽車產(chǎn)品，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擁有熱膨脹系數(shù)小、密度低、高比強(qiáng)度與模量、耐高溫、抗疲勞等其他材料無可比擬的新型材料，最高的單根直徑僅為7微米，是高端工業(yè)產(chǎn)品的首選材料。通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與新材料的結(jié)合實(shí)現(xiàn)最佳性價(jià)比。隨著國內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，針對新材料的優(yōu)化吸引了大批有志者。

盧家海、劉釗等人對汽車保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的產(chǎn)品同時(shí)擁有了抗撞與輕便。龔有坤等人根據(jù)機(jī)械要求對汽車底盤后臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝研究。也有專家通過對底盤后壁進(jìn)行工藝優(yōu)化得出，碳纖維后臂與傳統(tǒng)金屬件相比減輕，同時(shí)確定熱成型技術(shù)先進(jìn)科學(xué)性。還有專家通過嘗試確定在吸能上，泡沫鋁填充纖維的高性能纖維效果明顯。有的專家確定對將碳纖維增強(qiáng)纖維與鋁蜂窩管工藝相結(jié)合效果更加明顯。還有的專家針對不同的尺寸與隨機(jī)轉(zhuǎn)換角度同時(shí)配上不同負(fù)荷的健壯性拓?fù)鋬?yōu)化方法。汽車公司完成對復(fù)合材料汽車部件賦予輕便的研究。中國第一汽車有限公司對汽車儀表板梁分別提出了不同厚度的五級和三級儀表板管梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)，在輕便的基礎(chǔ)上，同時(shí)保證力學(xué)性質(zhì)合格。

巴伐利亞機(jī)械廠股份有限公司是首輛可批量式生產(chǎn)的同時(shí)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的電動車。碳纖維復(fù)合材料的使用使常用車重量可控制在1.2t以下。例如山東中企重工車輛有限公司的超輕車采用新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，降低了13米車的重量，溫州飛創(chuàng)汽車科技有限公司打造的四驅(qū)輕量化汽車也是采用新興纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通用汽車公司的輕量化的概念車，通過采用的新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使整體車重大大降低。國內(nèi)第一家采用新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用是來自于江蘇的一家生產(chǎn)新能源汽車的公司。相對于傳統(tǒng)汽車而言，車重直線下降。

對于社會對輕便型車的追求，也行響應(yīng)國家輕便、環(huán)保、節(jié)能的政策，中國吉林公司骨干們針對采用新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車上的使用方面做了深層的展望，并且針對未來幾年甚至幾十年對汽車高端技術(shù)的具體強(qiáng)制性要求。本文在已有基礎(chǔ)上，通過對一種新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行小樣嘗試。通過力學(xué)性能對比分析，通過對比實(shí)驗(yàn)得出針對新型增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)采用有限元ABAQUS可行的科學(xué)性，因此通過采用有限元ABAQUS優(yōu)化方案對新材料發(fā)動機(jī)罩的鋪層優(yōu)化升級。

1 新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的設(shè)計(jì)方案

常用的發(fā)動機(jī)罩通常包括內(nèi)板、外板和夾層。設(shè)計(jì)也就針對這三方面來進(jìn)行。然而，研究發(fā)現(xiàn)這種常規(guī)結(jié)構(gòu)不利于安裝與整車的匹對。在傳統(tǒng)燃油車模型上進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車罩設(shè)計(jì)。而讓內(nèi)、外板的結(jié)構(gòu)仍然保持不變，沒有做太多的改變，內(nèi)、外板通過粘結(jié)連接。結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，同時(shí)權(quán)衡實(shí)驗(yàn)成本與相關(guān)參數(shù)要求，經(jīng)過多方面對比分析，同時(shí)考慮到配備度問題，最終材料定為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中把碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為實(shí)驗(yàn)的主要成分，而將玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為次要材料，之所以這樣安排是由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與玻璃增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)所決定的，新型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中僅含有三分之一的碳纖維，同時(shí)它的伸展性較高些，這樣就是新型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受到外界力時(shí)更容易變形，從而大大提高了整輛車的匹配度。

反設(shè)計(jì)在芬蘭設(shè)計(jì)大師認(rèn)為，反設(shè)計(jì)可以理解為沒有設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，反設(shè)計(jì)蘊(yùn)含著自然、純粹、優(yōu)美。本文就采用反設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。讓發(fā)動機(jī)的表面維持原狀，只是對內(nèi)板部件進(jìn)行設(shè)計(jì)升級。讓發(fā)動機(jī)罩的外板控制在不大于2毫米總厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)升級，內(nèi)板按比外板少0.3毫米的總厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)保證內(nèi)外板厚度相等。以鋼罩為基礎(chǔ)，重新設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩的幾何模型。

2 鋼制材料發(fā)動機(jī)的機(jī)罩力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料引擎蓋拓?fù)鋬?yōu)化所需的邊界約束條件、前后點(diǎn)扭轉(zhuǎn)、側(cè)向、彎曲剛度，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。通過實(shí)驗(yàn)，測量了各種工況下的主要力學(xué)性能指標(biāo)。

扭轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)是模擬測試的發(fā)動機(jī)罩抵抗變形的能力被子彈擊中后，這種先后通過兩個(gè)緩沖塊關(guān)閉時(shí)刻承受扭轉(zhuǎn)載荷;橫向剛度測試是模擬，當(dāng)鎖允許安裝公差范圍內(nèi)，內(nèi)部仍有可能受到側(cè)向力鎖封閉罩時(shí)，當(dāng)汽車猛然加速、突然急剎車，或者在轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車的慣性負(fù)荷對引擎蓋施加一個(gè)沖擊力，彎曲剛度試驗(yàn)是為了抗變形效果，模擬引擎蓋在合攏時(shí)受到鎖所施加的垂直力時(shí)的抗變形效果，通過試驗(yàn)獲得其整體彎曲剛度參數(shù)。而模態(tài)試驗(yàn)可獲得引擎蓋的模態(tài)信息用以遠(yuǎn)離低頻共振。

2.1 對緩沖塊的約束與加載

根據(jù)汽車行業(yè)的測試標(biāo)準(zhǔn)，在扭轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測試時(shí)，局部坐標(biāo)系的發(fā)動機(jī)的機(jī)罩，6自由度鉸鏈和z方向的平移自由度對緩沖塊的約束，和80n負(fù)荷應(yīng)用于左派的z緩沖塊。在橫向剛度測試中，對左右緩沖塊鉸鏈的6個(gè)自由度和z向平移自由度進(jìn)行約束，伺服液壓系統(tǒng)對鎖存器施加250N載荷。在彎曲剛度測試中，對左右緩沖塊鉸鏈的6自由度和z向平移自由度進(jìn)行約束，并在鎖存處z向施加200N的載荷。在自由模態(tài)試驗(yàn)中，在夾具上掛上發(fā)動機(jī)的機(jī)罩鉸鏈，借助的工具時(shí)抗拉扯的高性能橡膠繩，在發(fā)動機(jī)罩內(nèi)外板表面分別均勻墊20和26個(gè)單向加速度傳感器。由激振器激發(fā)發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板的中央前端。

2.2 對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由模態(tài)分析

通過對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果的有效性，模態(tài)是其中的一種，即可以通過模態(tài)進(jìn)行分析論證，經(jīng)對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)分析，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在易受損壞的頻率的界限進(jìn)行標(biāo)注，來保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常使用。再通過有限元仿真分析得出發(fā)動機(jī)罩整體扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)測試值。

2.3 通過橫向剛度分析模擬慣性負(fù)荷

汽車發(fā)生方向轉(zhuǎn)動時(shí)，對發(fā)動機(jī)罩上的慣性負(fù)荷進(jìn)行模擬。在仿真實(shí)驗(yàn)過程中，將引擎蓋鉸鏈固定，鎖頭一側(cè)施100N的力，對處在閉合狀態(tài)下的引擎蓋變形系統(tǒng)分析。將引擎蓋的兩支點(diǎn)與鉸鏈的樞軸位置進(jìn)行暫時(shí)性固定，約束住除繞橫向軸旋轉(zhuǎn)度外的所有自由度，同時(shí)把前端支點(diǎn)僅約束為垂直位移。在此工況下進(jìn)行有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析。

2.4 對引擎蓋的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行科學(xué)分析

引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析的目的是為了測試在引擎蓋關(guān)閉時(shí)，在整輛車的垂直力作用下，引擎蓋的抗變形能力。

得知有限元分析值和樣品測試值，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可滿足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)發(fā)動機(jī)罩質(zhì)量降低。橫向與扭轉(zhuǎn)剛度在不同范圍內(nèi)提高，得出新型材料在輕量化上效果有優(yōu)勢。通過有限元模擬值比較，驗(yàn)證了新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有限元建模方法的有效性。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

測試驗(yàn)證結(jié)果表明，對于發(fā)動機(jī)罩的剛度和模態(tài)性能上，新材料完全滿足要求，性能指標(biāo)改善在一定程度上與原鋼發(fā)動機(jī)罩相比。在強(qiáng)度和剛度滿足要求的情況下，進(jìn)一步對設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、變量和約束三個(gè)要素。設(shè)計(jì)目標(biāo)與變量是優(yōu)化過程中的一種參數(shù)。通過改變變量找到最優(yōu)解，從而提高結(jié)構(gòu)性能。目標(biāo)函數(shù)作為評價(jià)指標(biāo)，約束條件是對設(shè)計(jì)變量進(jìn)行改變時(shí)所施加的約束。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以把單層厚度、鋪放方向、順序作為變量。每個(gè)參數(shù)可以作為變量優(yōu)化，罩內(nèi)外板結(jié)構(gòu)已確定，纖維增強(qiáng)的剪切形狀大小已確定，并基于初始纖維設(shè)計(jì)中每層厚度，改變纖維層方向。在本文中，鋪層厚度與角度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證基本性能下，改變纖維層厚和層間角度，實(shí)現(xiàn)輕便。所以通過以引擎蓋的最小質(zhì)量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，繪制優(yōu)化迭代過程中的引擎蓋質(zhì)量變化曲線來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：對單層光纖鋪設(shè)厚度和角度的參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。光纖鋪設(shè)讓內(nèi)外板鋪設(shè)反對稱。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)約束：纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的約束條件應(yīng)滿足發(fā)動機(jī)罩的剛度、強(qiáng)度和振動頻率等性能要求。受客觀條件影響，以原鋼發(fā)動機(jī)的機(jī)罩為參考基準(zhǔn)。

4 結(jié)語

參照新型增強(qiáng)復(fù)合材料疊層板的力學(xué)原理，發(fā)動機(jī)罩的自由模態(tài)，扭轉(zhuǎn)與橫向剛度計(jì)算，并與鋼材質(zhì)相比，表明新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用遮光罩的設(shè)計(jì)與原來的金屬板內(nèi)外罩，其模態(tài)、彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度值都有一定提升，重量急劇下降。充分展示了復(fù)合材料用于車身覆蓋物的明顯優(yōu)勢，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用的可行性。在保證基本性能的前提下，對復(fù)合材料引擎蓋進(jìn)行優(yōu)化，使其重量進(jìn)一步降低，充分發(fā)揮了纖維復(fù)合材料在汽車輕量化方面的明顯優(yōu)勢。

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