碳纖維復合材料在汽車后下部防護裝置中的應用探討

徐海瀾，張科峰

（重慶車輛檢測研究院國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶401122）

碳纖維復合材料在汽車后下部防護裝置中的應用探討

徐海瀾，張科峰

（重慶車輛檢測研究院國家客車質量監(jiān)督檢驗中心，重慶401122）

基于某靜態(tài)加載試驗方法，運用ABAQUS對碳纖維復合材料制造的后下部防護裝置進行有限元模擬，分析碳纖維復合材料的鋪層方案對后下部防護裝置性能的影響。研究表明，橫梁采用90°單一角度鋪層方案，縱梁采用混合角度鋪層方案的組合性能最好。

汽車后下部防護裝置；碳纖維復合材料；有限元分析

在轎車追尾貨車事故中，由于兩者尺寸差異很大，往往轎車會鉆入貨車后部。這種情況下，轎車發(fā)動機艙的吸能效果非常有限，結果就是貨車后部直接撞擊轎車乘員艙，導致轎車駕駛員頭部受到嚴重傷害［1］。為了減少這種情況的發(fā)生，世界各國都出臺了關于貨車后下部防護裝置的相關標準，我國標準GB 11567.2［2］、美國FMVSS 223［3］和FMVSS 224［4］以及歐洲ECER58［5］都規(guī)定了貨車后下部防護裝置的尺寸、安裝、強度和吸能等要求。目前，關于后下部防護裝置的研究主要集中在結構優(yōu)化方面［6-8］，而對于其材料的研究比較少。

碳纖維復合材料（CFRP）是一種高強度復合材料［9-10］，具有高的比強度和比剛度。此外，還具有良好的耐熱性和抗酸堿腐蝕能力，是一種發(fā)展前景十分廣闊的輕量化材料，其在汽車領域的應用也越來越廣泛?，F(xiàn)階段碳纖維的成本還很高，但國際上正在展開低成本碳纖維的研究，并已經有所突破，有望把碳纖維成本控制在11～15美元/kg［11］，屆時其相對于傳統(tǒng)材料的優(yōu)勢將更加明顯。用碳纖維復合材料來替代傳統(tǒng)鋼材制作貨車的后下部防護裝置，雖然成本有所增加，但可以極大地減輕后下部防護裝置的重量，并且提高后下部防護裝置的性能。本文通過對一種后下部防護裝置的靜態(tài)加載試驗有限元模擬分析，探討碳纖維復合材料的鋪層方案對于貨車后下部防護裝置性能的影響，找到最優(yōu)的鋪層方案。

1　碳纖維復合材料的選擇及性能參數(shù)

碳纖維復合材料是由增強纖維材料和基體材料所構成的。增強纖維材料是復合材料性能的主要貢獻者，而基體材料的主要作用是將排列整齊的增強纖維材料粘合到一起形成一個整體。碳纖維復合材料是垂直異性材料，其性能在纖維方向（1方向）和垂直于纖維方向上（2、3方向）差異很大。

1）碳纖維增強材料的選擇。碳纖維增強材料在增強纖維材料性能中有絕對優(yōu)勢，其種類較多，有T300、T700、T800等等級之分。本文選擇T300作為碳纖維增強材料，主要是由于其性能已經足夠優(yōu)越、穩(wěn)定，而且成本相對較低，適合大批量生產。其性能參數(shù)如下：拉伸強度為3 530MPa，彈性模量為230GPa，密度為1.76 g/cm3，纖維直徑為7μm。

2）基體材料的選擇。碳纖維復合材料，一般采用樹脂作為其基體材料。本文所用的基體材料為5208環(huán)氧樹脂。這種樹脂與纖維材料的適配性較好，成本低，易加工，適合于尺寸較大或者結構較復雜的零件整體成型。其性能參數(shù)如下：拉伸強度為85MPa，彈性模量為3.3 GPa，密度為1.3 g/cm3，比強度（材料抗拉強度與其密度之比）為0.654×106Pa/（kg/m3），線膨脹系數(shù)為59×10-61/K。

3）碳纖維復合材料性能參數(shù)。由T300碳纖維和5208環(huán)氧樹脂基體所組成的碳纖維復合材料，其性能參數(shù)如下：沿纖維方向的彈性模量E1=181GPa；垂直于纖維方向的彈性模量分別為E2=E3=10.3GPa；各個方向上的泊松比分別為u21=u31=0.28、u32=0.3；各個方向上的剪切模量分別為G12=G13=7 170MPa、G23=3 780MPa；沿纖維方向的拉伸應力極限Xt和壓縮應力極限Xc都為1 500 MPa；垂直于纖維方向的拉伸應力極限為Yt=40MPa；垂直于纖維方向的壓縮應力極限Yc=246MPa；剪切強度為S=68MPa。本文所用的原材料為由該復合材料所制成的單向碳纖維布，該布的碳纖維絲都是朝一個方向排列的。碳纖維復合材料屬于脆性材料，其材料延伸率在3%左右。而鋼材的延伸率一般在10%以上。所以在能量的耗散方式上，碳纖維復合材料與鋼材有所不同。鋼材主要是通過塑性變形來吸收撞擊能量，而碳纖維復合材料則是通過材料失效把撞擊能量消散掉。

4）碳纖維復合材料成本分析?，F(xiàn)階段碳纖維的價格很高，本文中后下部防護裝置所用碳纖維布的價格大概在1 200元/kg左右?，F(xiàn)階段用碳纖維制造后下部防護裝置的成本大概是用鋼材制造的10～15倍。但國際上正在展開低成本碳纖維的研究，并已經有所突破，有望把碳纖維成本控制在11～15美元/kg［12］。這樣使用碳纖維制作后，下部防護裝置的成本將大幅下降到僅為鋼材的1～1.5倍（鋼材的價格幾乎沒有下降空間）。

2　碳纖維復合材料后下部防護裝置性能的有限元模擬分析

2.1靜態(tài)加載試驗有限元建模

本文所討論的后下部防護裝置的尺寸見圖1。該后下部防護裝置由一根水平橫梁以及兩根與其垂直的縱梁所組成。橫梁和縱梁厚度分別為5mm和10mm。

最新的GB 11567《汽車和掛車側面及后下部防護要求》征求意見稿中規(guī)定的靜態(tài)加載試驗方法：在距離后下部防護裝置左端面250mm處在x方向上施加50 kN的力，測量后下部防護裝置在受力方向上的最大位移量。位移量越小，說明后下部防護裝置性能越好。作為對比，本文對由AISI1017鋼材焊接而成的相同結構后下部防護裝置進行實際試驗，并做有限元模擬對比分析。試驗得到其最大位移為132.9mm，有限元模擬所得的最大位移為136.2mm。試驗與仿真結果之間的誤差僅為2.5%。說明該有限元模擬分析能夠反映出實際試驗情況。靜態(tài)加載試驗和有限元模型如圖2所示。

2.2碳纖維復合材料的組織結構

本文所討論的后下部防護裝置的碳纖維復合材料是由一定厚度的單向碳纖維布一層一層粘結而成，粘結劑和基底材料相同。為了使碳纖維后下部防護裝置達到最佳性能，需對每一層纖維的朝向（即鋪層角度）進行優(yōu)化，從而得出最佳的纖維朝向的堆疊順序（即鋪層方案）。后下部防護裝置由橫梁和縱梁兩個部件組成，為找到最優(yōu)鋪層方案，先固定縱梁的鋪層方案，只改變橫梁的鋪層方案，從而找出橫梁鋪層方案對于裝置性能的影響。之后再固定橫梁鋪層方案，只改變縱梁的鋪層方案以確定其對于裝置性能的影響。本文中碳纖維復合材料后下部防護裝置的橫梁的碳纖維有10層，每層厚度為0.5mm；縱梁的碳纖維也有10層，每層厚度為1mm。有限元模型中各纖維鋪層角度（以下簡稱“鋪層角度”）如圖3所示。

2.3橫梁的鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響

本文中鋪層方案的表示方法采用的是復合材料通用的Staking-Sequence Notation表示法。

1）橫梁采用同一鋪層角度時不同鋪層方案的影響。同一鋪層角度指的是復合材料中每一層的鋪層角度都是一樣的。這里固定縱梁的鋪層方案為（即從里到外一共有10層，每層的鋪層角度都為0°），橫梁采用同一鋪層角度進行鋪層，討論不同的橫梁鋪方案對于后下部防護裝置性能的影響。橫梁的鋪層方案分別為［0°10］、［10°10］、［20°10］、［30°10］、［40°10］、［50°10］、［60°10］、［70°10］、［80°10］、［90°10］，這種情況下后下部防護裝置在受力方向上的最大位移（mm）分別為239.8、233.7、219.7、197.8、168.4、133.7、97.5、65.1、43.1、36.6。

2）橫梁采用混合鋪層角度時不同鋪層方案的影響。混合鋪層角度指的是復合材料中各層的鋪層角度不盡相同。這里固定縱梁的鋪層方案為［0°10］，橫梁采用典型的混合鋪層角度進行鋪層，討論不同的橫梁鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響。這種情況下后下部防護裝置在受力方向上的最大位移見表1。

表1　固定縱梁鋪層方案為[0°10]，橫梁采用典型的混合鋪層角度時不同鋪層方案的最大位移

2.4縱梁的鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響

1）縱梁采用同一鋪層角度時不同鋪層方案度的影響。在上文中可以看到，當橫梁鋪層方案為［90°10］時位移量最小，所以在改變縱梁鋪層方案時，將橫梁的鋪層方案固定為［90°10］?？v梁采用同一鋪層角度進行鋪層，討論不同的縱梁鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響?？v梁的鋪層方案分別為［0°10］、［10°10］、［20°10］、［30°10］、［40°10］、［50°10］、［60°10］、［70°10］、［80°10］、［90°10］，這種情況下，后下部防護裝置在受力方向上的最大位移（mm）分別為36.6、36.7、37.3、37.2、36.8、36.7、37.4、39.5、42.8、46.1。

2）縱梁采用混合鋪層角度時不同鋪層方案的影響。固定橫梁的鋪層方案，縱梁采用混合鋪層角度進行鋪層，討論不同的縱梁鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響?？v梁鋪層方案為［90°10］時橫梁混合角度鋪層方案與表1一致。這種情況下，后下部防護裝置受力方向上的最大位移（mm）分別為32.4、35.4、32.7、32.1、32.5、32.4、32.7、35.1、35.2、32.8。

2.5對比分析

1）同一鋪層角度。圖4把四種不同情況下的鋪層方案對后下部防護裝置的性能影響進行了對比。圖4中可以看到，在采用同一鋪層角度進行鋪層的情況下，改變橫梁鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響非常大，而改變縱梁鋪層方案對于后下部防護裝置性能的影響相對小了很多。這說明就同一鋪層角度進行鋪層而言，橫梁鋪層的敏感度遠高于縱梁。這主要是由后下部防護裝置的結構和受力特性所造成的。后下部防護裝置的橫梁是規(guī)則的長方體，碳纖維復合材料是各向異性材料，在用同一鋪層角度進行鋪層的情況下其體現(xiàn)的是垂直各向異性，即在沿纖維方向和垂直于纖維方向的性能差異很明顯。當纖維方向與受力方向一致時，其性能很好，原因在于增強用的碳纖維起了主導作用。然而，在垂直于纖維的方向上，其性能主要是由基體決定的，而基體的性能遠不如碳纖維，所以當橫梁鋪層方案為［90°10］時，橫梁的碳纖維復合材料主要受到的是沿纖維方向的力，使得橫梁在這種受力下性能很好。反之，當橫梁鋪層方案為［0°10］時，其受到的力主要是垂直于纖維方向，由于基體性能遠不如碳纖維，所以性能差異就會很大。后下部防護裝置的縱梁采用不規(guī)則結構，這樣很大程度上抵消了采用同一鋪層角度進行鋪層時碳纖維復合材料所產生的垂直各向異性。所以對于采用同一鋪層角度進行鋪層的縱梁而言，在改變鋪層方案的時候，縱梁的碳纖維復合材料總是有一部分的受力主要沿纖維方向，所以改變縱梁鋪層方案對于后下部防護裝置最大位移量的影響較小。

2）混合鋪層角度。從圖4中可以看出，橫梁采用混合鋪層角度時，鋪層角度種類的增加大幅削弱了碳纖維復合材料的各向異性。對于橫梁而言，相較于同一角度鋪層的方案，混合角度鋪層方案對于后下部防護裝置性能影響的敏感度明顯降低。最大位移基本上處于50～60mm的水平。但是也可以看見，橫梁采用［45°/-45°］5的鋪層方案時，其得到的最大位移量明顯高于橫梁采用其他混合角度鋪層方案。主要是因為在鋪層角度為45°時，橫梁最大位移量的變化率是最大的，而越靠近0°或者90°其變化率就會越小，所以鋪層角度為±30°的性能靠近鋪層角度為0°的性能，鋪層角度為±60°的性能靠近鋪層角度為90°的性能。綜合本文所選鋪層方案，除了［45°/-45°］5之外，其余都有90°和±60°的鋪層角度參與。只要這些鋪層角度參與其中，就能使橫梁最大位移量明顯下降，這也印證了碳纖維復合材料在纖維方向和垂直于纖維方向的性能差異是非常大的特點。但就橫梁這種規(guī)則結構而言，能夠利用碳纖維復合材料的各向異性來達到最好的性能效果，即采用［90°10］的單一鋪層角度進行鋪層。這樣能夠最大限度地利用碳纖維的抗拉性能，使橫梁達到最佳效果。對于縱梁而言，在采用混合角度進行鋪層時，改變鋪層方案所產生的影響非常小，影響基本上在3mm左右。

3）最佳方案。對比四種不同情況下的鋪層方案可以發(fā)現(xiàn)，當橫梁鋪層方案固定為［90°10］時，后下部防護裝置最大位移量普遍都比較小，而且縱梁采用混合鋪層角度進行鋪層時的方案比其采用同一角度鋪層時的方案其最大位移量整體又下降了一些。所以可以得出，橫梁采用［90°10］的鋪層方案與縱梁采用混合角度的鋪層方案的組合其最大位移量最小。在這種形式下，每種方案之間的差異也是最小的。這種對于鋪層角度排列順序的敏感度比較低的特性，在實際大規(guī)模生產過程中是一大優(yōu)勢。能夠降低鋪層時對于鋪層角度的精度要求，從而可大幅降低工藝成本。從數(shù)據(jù)看，橫梁［90°10］和縱梁［0°/30° /-45°/60°/90°］Sym的鋪層方案組合，其最大位移量是最小的，約為32.1mm。

4）結果對比。在之前試驗中所采用的使用傳統(tǒng)鋼材制作的后下部防護裝置，其質量約為61 kg，其最大位移量為132.9mm，而使用碳纖維復合材料制作的后下部防護裝置，質量僅為約14 kg，但最大位移量卻僅為32.1 mm?？梢钥闯觯褂锰祭w維復合材料制作后下部防護裝置能夠比采用傳統(tǒng)鋼材時減重77%，最大位移量減少76%。

3　結論

該研究表明，對于該碳纖維復合材料后下部防護裝置，橫梁采用［90°10］鋪層方案，縱梁采用多角度混合的鋪層方案的組合形式效果最佳，并且這種組合方式下縱梁對于鋪層角度變化的敏感度較低?？紤]到縱梁采用的是不規(guī)則結構（制造工藝相對復雜），這種低敏感度的特性有利于降低對于鋪層角度的精度要求，減少成本，而且采用最佳方案的碳纖維復合材料后防護裝置相對于傳統(tǒng)鋼材的后防護裝置，在重量上降低了77%，在最大位移量上減少了76%。未來，碳纖維材料的成本有望大幅下降，屆時其相對于傳統(tǒng)材料的優(yōu)勢將更加明顯。

［1］白中浩，馬偉杰，曹立波，等.乘用車-貨車追尾碰撞事故分析及其試驗與仿真研究［J］.中國機械工程，2010，21（14）：1742-1747.

［2］全國汽車標準化技術委員會.汽車和掛車后下部防護要求：GB11567.2-2001［S］.北京：中國標準出版社，2001.

［3］FMVSS223.49CFRCh.V（10-1-08 Edition）571.223，2008.

［4］FMVSS 224.49CFR Ch.V（10-1-08Edition）571.224，2008.

［5］ECER58-2008關于1.批準后下部防護裝置2.就已批準的后下部防護裝置的安裝方面批準車輛3.就后下部防護裝置方面批準車輛的統(tǒng)一規(guī)定，2008.

［6］馬瑞雪，周從榮，王欣.汽車后下部防護裝置碰撞相容性因素分析與結構改進［J］.客車技術與研究，2015，37（5）：26-28.

［7］馬訊，郝琪，周宗良.汽車后下部防護裝置的碰撞仿真分析［J］.公路交通科技，2009，26（4）：133-137.

［8］白中浩，蔣彬輝，張前斌，等.乘用車—載貨汽車追尾碰撞相容性結構優(yōu)化設計［J］.振動與沖擊，2011，30（8）：36-40.

［9］張強.碳纖維復合材料汽車引擎蓋的設計和工藝研究［D］.武漢：武漢理工大學，2014.

［10］李瑋，段成紅，吳祥.碳纖維復合材料強度的有限元模擬［J］.玻璃鋼/復合材料，2011（1）：20-23.

［11］Baker D A，Rials TG.Recent Advances in Low-cost Carbon Fiber、Manufacture from Lignin.Journal of Applied Polymer Science，2013，130（2）：713-728.

［12］Robert M.Jones.Mechanics of Composite Materials.Taylor& Francis，Chapter：4.3.5，1999.

修改稿日期：2016-04-16

Discussion on Application of Carbon Fiber Reinforced Plastics to Vehicle Rear Under Run Protection Device

Xu Hailan，Zhang Kefeng
（Chongqing Vehicle Test and Research Institute，National Coach Quality Supervision and Testing Center，Chongqing 401122，China）

Based on a static load test method，the authors uses ABAQUS to simulate the rear under run protection device made by carbon fiber reinforced plastics，analyze the property of the device influenced by ply stacking sequence.This research shows that，the stacking strategy which is horizontal frame using 90°stacking，vertical frame using hybrid angles tacking is the best combination scheme.

vehicle rear under run protection device；carbon fiber reinforced plastics；finite element analysis

U461.91

B

1006-3331（2016）03-0044-04

國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局公益性行業(yè)科研專項（No.201310116）

徐海瀾（1985-），男，博士；高級工程師；主要從事汽車被動安全、新材料應用等方面的研究工作。