基于車身輕量化的玄武巖纖維汽車頂蓋設計與分析

摘" 要：汽車輕量化不僅有利于降低環境污染，而且還能夠提升汽車的安全環保性能，為研究新型復合材料玄武巖纖維應用于汽車零部件可以優化性能、減輕質量，該文以玄武巖纖維復合材料來設計汽車部件之一的車頂，并運用ABAQUS對其進行仿真分析，對比其性能相較于其他輕量化材料和金屬材料的優劣。該分析可為新型復合材料應用于汽車零部件設計提供參考。

關鍵詞：輕量化；汽車車頂；玄武巖纖維；仿真分析；頂蓋設計

中圖分類號：U465.6" " " 文獻標志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0042-05

Abstract： Lightweight automobile can not only reduce environmental pollution， but also improve the safety and environmental protection performance of automobile. In order to study that the application of new composite basalt fiber in automobile parts can optimize the performance and reduce the quality， this paper uses basalt fiber composite to design the roof of one of automobile parts， and uses ABAQUS to simulate and analyze it， and compares its performance compared with other lightweight materials and metal materials. This analysis can provide a reference for the application of new composites in the design of automobile parts.

Keywords： lightweight; car roof; basalt fiber; simulation analysis; roof design

當前，不僅對汽車外觀造型和品質性能有著較高的要求，同時也更加重視汽車的節能減排和減重降耗，以此來符合國家的綠色環保發展的戰略方針。相關統計表明，汽車整車質量每降低10%，消耗的燃料可以降低6%～8%[1]。汽車輕量化不僅有利于降低環境污染，而且還能夠提升汽車的安全環保性能，為未來汽車發展提供了明確的方向。因此對于汽車輕量化材料及制造工藝進行分析很有必要。

汽車輕量化的手段主要包括結構的優化設計，對新型輕質材料的應用以及對更先進的制造工藝的探索[2]。其中采用輕質材料可以直接從根本上降低汽車各零部件的質量，是汽車輕量化技術中最直接的方法[3]。復合材料以其優良的性能，輕量化、綠色環保的優勢，進入人們的視野，也逐漸應用于汽車零部件。本文以玄武巖纖維復合材料來設計汽車部件之一的車頂，并對其進行仿真分析，對比其性能相較于其他輕量化材料和金屬材料的優劣。

1" 玄武巖纖維材料的特點和性能

玄武巖纖維具有重量輕、強度高、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、防水和隔音隔熱等多種優點。此外，玄武巖纖維的生產工藝決定了產生的廢棄物少，對環境污染小，且產品廢棄后可直接在環境中降解，無任何危害，具有可持續利用的特點，符合環保低碳的發展趨勢。玄武巖纖維已被我國列為重點發展的4大纖維之一[4]。玄武巖纖維的綜合力學性能較好，具有較高的拉伸強度和抗壓縮、抗剪切性能，并且應用成本較低[5]。目前，玄武巖纖維主要嘗試運用于汽車座椅、門板、頂棚等部件，玄武巖纖維門板和頂棚，能夠有效地減低噪音，具有隔熱效果，可提高舒適性和安全性。

2" 汽車頂蓋設計

2.1" 設計思路及數據來源

新型復合材料目前在汽車上的應用主要以碳纖維為主，大多應用于后視鏡殼、內飾門板、內飾面板、門把手、排擋桿、賽車座椅和空氣套件等，現在進氣風箱、進氣歧管以及部分高檔車型（奔馳SLS AMG）的傳動軸也開始使用碳纖維。原計劃設計汽車頂蓋，包括頂蓋外板、前后橫梁、橫向加強梁，但基于梁的材料不變、新型復合材料主要運用于外板的特點，簡化模型，只建立外板部件模型。根據之前調研的結果，車頂屬于外覆蓋件，沖壓成型。目前車頂的材料依舊以鋼材為主，往鋁合金方向發展，基于成本的限制，鋁合金和其他新型材料使用相對較少，材料的厚度整體來看，大約為0.5～3.0 mm，厚度根據車身不同部位的受力特點會有所不同，外板一般為0.65～0.7 mm，加強板一般為1～1.2 mm。鑒于網格劃分的特點，此次車頂模型設計厚度設置為1 mm，模型基本尺寸參考比亞迪秦EV實車尺寸，前后弧度弦長1 400 mm，左右弧度弦長1 000 mm（前部1 080 mm、中部970 mm、后風窗位置1 040 mm）。

2.2" 汽車頂蓋外板設計

運用UG建立部件模型，建立的模型如圖1所示。

鑒于汽車頂蓋外板結構簡單，直接運用ABAQUS進行有限元分析，通過外部建模完成幾何模型構建之后，導入ABAQUS完成所有分析，包括前處理、求解、后處理。有限元模型如圖2所示。

3" ABAQUS前處理設置

3.1" 定義材料屬性

在ABAQUS-Property模塊中創建材料屬性，此次仿真分析對比了結構鋼、碳纖維和玄武巖纖維3種材料，因此需要設定3種材料屬性，結構鋼的性能參數見表1，復合材料力學性能參數見表2，車用纖維一般是熱固性樹脂基纖維布復合材料，碳纖維選用T300，力學性能數據來源查閱文獻所得[6-7]，玄武巖纖維參數來源于文獻[8]。中航工業商用發動機有限責任公司運用三維機織角連鎖織物制造大型商用發動機葉片，陳志明[9]在《三維角聯鎖織物基本力學性能及其變形行為分析》一文中對該織物的基本力學性能及其變形行為進行簡單的研究分析。原來的二維層合復合材料，抗剪切強度低、抗沖擊能力也比較弱，學者們在20世紀70年代提出的三維機織技術很好地解決了這一問題，三維角聯鎖織物是一種具有優良力學性能的周期性結構，因此本文中選用三維角聯鎖織物作為研究的復合材料結構。朱超等[10]在《三維角聯鎖機織鋪層復合材料的拉伸性能與失效機制》一文中探討了單層厚度對復合材料拉伸性能以及失效機制的影響，結果表明，復合材料的拉伸強度隨著單層厚度的增大而顯著增加，而且文獻中選用的單層纖維布的最小厚度是0.8 mm，因此此次仿真的單層鋪層厚度統一設置為0.8 mm。

3.2" 網格系統構建

在ABAQUS-Mesh模塊下進行網格劃分，考慮到載荷的加載情況，因此劃分網格前需要進行模型切分，運用創建拆分命令在車頂劃分出2個300 mm×130 mm的區域作為人的踩踏區域，模擬一個100 kg的人雙腳站立在車頂的情形[11]。劃分出的區域如圖3所示。

模型切分完成后進行全局網格尺寸布種、劃分網格，確定網格的數量，注意網格的質量，如果質量不好還應進行二次網格劃分。單元類型保持默認，為S4R，然后進入Assembly模塊，創建裝配體。至此，網格系統構建完成。

3.3" 定義載荷和邊界條件

車頂外板是通過焊接的方式連接在車頂橫梁和車身上的，因此四周采用完全固定的約束，車頂劃分出的區域模擬人站立的情形，加垂直車頂載荷Pressure 0.025 MPa，加載完成后的模型如圖4所示。

4" 仿真結果及分析

4.1" 靜力學分析

運用靜力通用分析步，設定場輸出（應力和位移云圖），求解器求解計算，輸出分析結果，應力云圖、位移云圖如圖5所示。

對于纖維復合材料層合板來說，影響其性能的不僅有鋪層結構，還有鋪層角度。因此為了獲得最佳的力學性能，要對纖維進行不同角度鋪層組合的嘗試，從而達到一定程度的層組優化[12]。對于3層鋪層的角度分別嘗試了[0/45/-45]、[0/45/90]、[45/0/-45]、[90/0/45]4種情況，4層鋪層的角度嘗試了[0/45/-45/90]、[0/90/45/-45]、[45/-45/0/90]、[90/0/45/-45]4種情況，得到的數據詳見表3、表4、表5。綜合對比之后，選擇[0/45/-45]的3層鋪層角度組合和[90/0/45/-45]的4層鋪層角度組合（圖5中復合材料場輸出分別展示）。

4.2" 模態分析

汽車行駛時，路面不平以及發動機、傳動系統和車輪等旋轉部件均可引發汽車振動。通常路面不平是汽車振動的基本輸入，振動頻率范圍約為0.5～25 Hz。

3種材料模型的模態分析振型圖如圖6所示。

3種材料6—11階固有頻率見表6。

從模態分析振型圖可以看出，3種材料的自由模態振型高度相似，前6階模態近乎剛體模態，幾乎無變形，從第7階開始出現1個基點的輕微扭轉變形，從第9階開始出現了2個基點的扭轉變形，從第11階開始出現了3個基點的扭轉變形。玄武巖纖維和結構鋼各階的最大位移矢量差不多，碳纖維的最大位移矢量較玄武巖纖維、結構鋼大，尤其在低階模態時大很多，說明其在自由模態時相同放大倍數的變形較大；從前20階的固有頻率來看，碳纖維大于玄武巖纖維大于結構鋼，說明玄武巖纖維的彈性處于二者之間。

5" 結論

從靜力學分析數據可以看出，3種材料均滿足設計要求，碳纖維和玄武巖纖維這2種復合材料在鋪層3層的情況下性能已經優于結構鋼，碳纖維密度更小，因此更輕，但碳纖維成本高，柔韌性也沒有玄武巖纖維好，如果選用玄武巖纖維鋪層2.4 mm的情況下，車頂的質量將減重14.4%。從模態分析的數據可以看出，玄武巖纖維層合板的剛度和結構鋼板材差不多，彈性更好，相比較結構鋼，在相同工作條件的激勵下，更不容易發生共振。研究結構的應力和位移云圖分布狀態的特點，找出應力集中和容易破壞的地方，可以為后續結構的優化提供理論性指導[13]。后續如果有條件可以做實驗驗證此次仿真的數據，并優化汽車頂蓋模型。

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