大學(xué)生方程式賽車復(fù)合材料單體殼車身優(yōu)化

余海燕， 徐 豪， 周辰曉

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

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大學(xué)生方程式賽車復(fù)合材料單體殼車身優(yōu)化

余海燕， 徐 豪， 周辰曉

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院，上海 201804)

采用碳纖維和鋁蜂窩板為車身主材，對大學(xué)生方程式(FSAE)賽車進行了單體殼車身的設(shè)計.對比選擇了合適的碳纖維復(fù)合材料，對單體殼車身的鋪層設(shè)置先后進行了自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層優(yōu)化仿真，并進行了剪切強度和彎曲剛度校核.結(jié)果表明，所設(shè)計的碳纖維單體殼車身總重24.3 kg，比鋼制車架車身質(zhì)量降低34%，同時車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲強度達到參考鋼制車身指標.通過鋪層方向、鋪層順序和鋪層數(shù)量的合理匹配，可使碳纖維復(fù)合材料擁有超過鋼制產(chǎn)品的力學(xué)性能.

方程式賽車； 碳纖維； 單體殼車身； 輕量化

FSAE(Formula Society of Automotive Engineers)賽車比賽，又稱大學(xué)生方程式賽車，由各國汽車工程師協(xié)會面向本科生和研究生舉辦[1].賽事要求在一年內(nèi)開發(fā)一臺排量610 mL以下的小型賽車，并能滿足包括加速、耐久和燃油經(jīng)濟性等在內(nèi)的規(guī)則.FSAE比賽通過4 項靜態(tài)指標與5 項動態(tài)性能指標來評價賽車的優(yōu)劣.FSAE比賽于1978年創(chuàng)辦，已發(fā)展30多年，逐漸形成了德國、美國、英國、日本和中國等地的多站比賽，現(xiàn)在FSAE比賽正朝著更快、更輕、更穩(wěn)定的方向迅速發(fā)展.

單體殼是一種新型結(jié)構(gòu)技術(shù)[2-3]，與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)使用骨架承載不同，這種一體式的結(jié)構(gòu)通過結(jié)構(gòu)的表面來承載.單體殼技術(shù)最早起源于船和飛機，1969年開始在汽車上使用.1962年參加F1比賽的Lotus25賽車首次使用鉚釘加固的輕金屬殼體替代傳統(tǒng)的管狀框架座艙，這是引入F1賽場的第一個單體殼[4].早期F1使用的單體殼車身采用金屬材料.捷豹XJ采用的就是鋁合金單體殼車身[5].單體殼結(jié)構(gòu)的剛度和強度高度依賴于殼體材料自身的剛度及強度，因此各大F1車隊都希望尋找到更強更輕的材料來替代傳統(tǒng)的金屬材料[6].

碳纖維由于具有高軸向強度、高彈性模量且輕質(zhì)的優(yōu)點[7-8]，近年在汽車上的應(yīng)用進入高速發(fā)展期.寶馬Z-9，Z-22，M3等車中大量采用碳纖維車身結(jié)構(gòu)件.2014年i3，i8兩款車型則采用了全碳纖維車身[9-10].日產(chǎn)汽車公司的Skyline GT-R外覆蓋件使用了碳纖維復(fù)合材料[11-12].法國SP系統(tǒng)公司在Boxster S車上使用了碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機罩蓋[13].大眾汽車公司在“2L車”項目中，碳纖維復(fù)合材料的使用比例高達45%.蘭博基尼Aventador LP700-4采用單體殼車身[14]，該車身僅147 kg.通用Chevrolet Corvette Z06紀念版轎車發(fā)動機罩蓋采用碳纖維復(fù)合材料，質(zhì)量僅為9.3 kg[15].2003年戴姆勒克萊斯勒公司推出的Dodge Viper型跑車的擋板支架系統(tǒng)采用了碳纖維復(fù)合材料[16]，該碳纖維擋板支架重1.93 kg，與舊金屬擋板支架相比，整個擋板支架系統(tǒng)質(zhì)量減輕了18 kg，但剛度卻提高了22%.

鋁蜂窩是按一種規(guī)則周期性排列的復(fù)合結(jié)構(gòu)型式.這種型式的結(jié)構(gòu)質(zhì)量輕、具有較高的剛度和吸能性能，在工業(yè)生產(chǎn)中得到廣泛引用.其中六邊形鋁蜂窩是目前最為普遍采用的一種結(jié)構(gòu)型式[17].用碳纖維做面板，鋁蜂窩做夾芯的夾層結(jié)構(gòu)，能夠充分利用表面碳纖維的力學(xué)性能，使產(chǎn)品具有高彎曲剛度、高彈性模量，同時保持較低的整體密度.采用復(fù)合材料的單體殼賽車[3,18]擁有更小的前視面積、更輕的重量、更大的扭轉(zhuǎn)剛度和更大的駕駛艙空間.

1 FSAE賽車車身主體結(jié)構(gòu)

圖1所示為新設(shè)計的FSAE賽車車身的主體結(jié)構(gòu).該車身由單體殼車身與后車架組成，后車架采用鋼管焊接而成.本文的研究對象是車前部的單體殼車身.采用OptiStruct軟件通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化對碳纖維和鋁蜂窩板的鋪層厚度、方向及順序進行優(yōu)化，并進行強度和剛度校核.

圖1 方程式賽車車身結(jié)構(gòu)

復(fù)合材料的眾多優(yōu)點使其在航空以及汽車工業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用，但其相對金屬完全不同的力學(xué)性能給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來很多困難.傳統(tǒng)的設(shè)計方法是通過復(fù)合材料力學(xué)理論進行分析計算，該方法僅適用于幾何簡單、鋪層單一的結(jié)構(gòu).對于幾何復(fù)雜且鋪層復(fù)雜的結(jié)構(gòu)的設(shè)計需要通過CAE軟件仿真以及大量試驗來完成.在復(fù)合材料的實際應(yīng)用上，最重要的兩個問題在于減輕產(chǎn)品質(zhì)量以及縮短產(chǎn)品設(shè)計周期.結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件被證明是解決這兩個問題的非常有效的工具.針對復(fù)合材料層合板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，Hyperworks中的OptiStruct模塊發(fā)展了復(fù)合材料三步法優(yōu)化方法，即通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及鋪層順序優(yōu)化來精確優(yōu)化鋪層方案[20].這種方法已經(jīng)在OptiStruct 中實現(xiàn)并為眾多航空企業(yè)所應(yīng)用.本文在鋪層優(yōu)化中采用該方法.

2 單體殼車身材料選擇

單體殼車身采用碳纖維層加上鋁蜂窩芯組成的夾層結(jié)構(gòu).碳纖維布由基體和碳纖維絲組成，基體的作用是將碳纖維絲黏結(jié)在一起，使其處于合適的方向和位置，以便纖維均勻地承受載荷，并保證復(fù)合材料的層間剪切強度.考慮賽車對基體力學(xué)性能要求高，同時復(fù)合材料將在常溫中工作，故選擇環(huán)氧樹脂作為基體.碳纖維絲根據(jù)其力學(xué)性能可分為很多等級.以日本東麗公司為例，其生產(chǎn)的碳纖維絲主要分為高強度碳纖維絲T系列以及高模量碳纖維絲M系列.考慮高強度高剛度碳纖維絲成本較高，且在國內(nèi)難以采購，本文選擇東麗T300碳纖維絲作為原料.碳纖維布是碳纖維絲束編織而成的.相對于單向布，交織布的操作方便性可大大縮短制造周期，同時可保證鋪層的均勻性.故本設(shè)計中主要使用交織布，平整部分可用平紋布，彎曲部分可用緞紋布，載荷傳遞方向性明顯的局部使用單向布來加強.蜂窩夾芯通常由金屬箔片或者非金屬材料制成，其中鋁制蜂窩的比強度和面外壓縮模量較一般非金屬材料高，機械加工性好，故選擇鋁蜂窩作為基礎(chǔ)層合板的夾芯材料.本設(shè)計選擇百世利德公司制造的單元密度適中、鋁箔較薄的微孔鋁蜂窩，其蜂窩單元邊長為3 mm，鋁箔厚度0.04 mm.

3 單體殼車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 優(yōu)化方法

單體殼的鋪層優(yōu)化由自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化及鋪層優(yōu)化三個步驟組成.第一步，自由尺寸優(yōu)化.首先根據(jù)已確定出的車身殼體進行自由尺寸優(yōu)化，考慮到鋪層方向，給出材料的總體分布，得到每個角度鋪層的厚度分布.該步優(yōu)化結(jié)果中鋪層厚度變化連續(xù)，并不具有可制造性.第二步，尺寸優(yōu)化.考慮制造加工約束和工況載荷，將自由尺寸優(yōu)化結(jié)果離散化，對各鋪層形狀進行修整，并對每個角度鋪層進行尺寸優(yōu)化，得到每個角度鋪層的精確厚度分布.第三步，鋪層順序優(yōu)化.在尺寸優(yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上考慮工藝性對鋪層順序進行優(yōu)化，尋求力學(xué)性能和工藝性最佳的鋪層順序.

3.2 有限元模型

3.2.1 材料定義

本文的仿真部分基于Altair 公司的HyperWorks 工程軟件平臺.HyperMesh 提供的專業(yè)復(fù)合材料前處理模塊HyperLaminate不僅可以用于復(fù)合材料建模，還可以根據(jù)復(fù)合材料鋪層情況，通過經(jīng)典層合板理論進行高效有效的計算.

優(yōu)化所用模型采用整車模型，如圖1所示.其中單體殼車身采用殼單元進行劃分，后車架采用梁單元模擬.殼單元以及梁單元的目標尺寸設(shè)置為8 mm，通過網(wǎng)格質(zhì)量指數(shù)最優(yōu)化模式自動優(yōu)化網(wǎng)格質(zhì)量.聯(lián)接及加載的局部區(qū)域網(wǎng)格細化.單體殼車身和后車架通過剛性單元固定連接.懸架通過剛性單元與單體殼車身固聯(lián).

后車架屬于非設(shè)計區(qū)域，直接賦予管件橫截面幾何以及材料屬性.設(shè)計區(qū)域的單體殼幾何模型由殼單元組成，在之后的仿真及優(yōu)化中需要通過Hypermesh中相應(yīng)的模塊定義該單元上的復(fù)合材料特性.HyperMesh使用ply+stack的復(fù)合材料鋪層定義方式，即定義出各復(fù)合材料物理鋪層的范圍，一個物理鋪層對應(yīng)一個ply卡片，然后通過stack卡片把各個ply按次序?qū)盈B，形成完整的層合板.

單體殼車身所用的碳纖維和鋁蜂窩板的材料參數(shù)如表1所示.后車架所用材料為高強度結(jié)構(gòu)鋼，視其為各向同性材料，泊松比νxy為0.30、彈性模量為210 GPa、密度為7 800 kg·m-3.碳纖維和鋁蜂窩屬于正交各向異性材料，按照蜂窩結(jié)構(gòu)定義XOY為六邊形平面，Z向為厚度方向.故表1中Xc和Yc分別為x和y方向的壓縮極限應(yīng)力，Xt和Yt分別為沿x和y方向的拉伸極限應(yīng)力，Ex和Ey為面內(nèi)彈性模量，兩值因為制造工藝限制有較小的差異，但本文為簡化建模過程將兩值視為相同，Gxz和Gyz為面外剪切模量,Gxy為面內(nèi)剪切模量，S為剪切強度.采用OptiStruct軟件中的各向異性復(fù)合材料模型MAT8.

表1 碳纖維和鋁蜂窩板材料參數(shù)

3.2.2 邊界條件

FSAE賽車性能的主要考核指標工況之一是8字形繞樁，也就是蛇形繞樁.該部分賽道通常由相距7.62 m到12.19 m的樁組成.在蛇形繞樁出樁時，前輪已經(jīng)指向另一側(cè)準備再次入彎，此時后輪由于車身的扭轉(zhuǎn)尚處于出彎時的載荷狀態(tài)，即依然承受同側(cè)較大的側(cè)向力，車身發(fā)生很大的扭轉(zhuǎn)變形.該工況主要評價車身整體縱向扭轉(zhuǎn)和懸架硬點局部變形.本文將該工況量化為前后軸分別受方向相反的1.6g側(cè)向加速度，表2所示為蛇形繞樁工況下車身各加載點載荷大小.

表2 蛇形繞樁工況下載荷

3.3 自由尺寸優(yōu)化

3.3.1 優(yōu)化定義

自由尺寸優(yōu)化中設(shè)計變量為各方向鋪層的厚度，目標函數(shù)為結(jié)構(gòu)總?cè)岫茸钚?，約束函數(shù)控制單層的最大厚度以及單元總厚度來實現(xiàn)一定的工藝性約束.本文將車身鋪層總厚度控制在16～27 mm.

優(yōu)化設(shè)計空間為單體殼車身，其中預(yù)埋件不包含在內(nèi).夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計遵循以下經(jīng)驗原則：①均衡對稱鋪設(shè)原則，以避免拉-剪、拉-彎耦合而引起固化后的翹曲變形.②鋪層定向原則.在滿足受力的情況下，鋪層方向數(shù)應(yīng)盡量少.一般多選擇 0°，90° 和 ±45°等4種鋪層方向.③鋪層取向按承載方向選取原則.鋪層的纖維軸向應(yīng)與內(nèi)力的拉壓方向一致，以最大限度利用纖維軸向的高性能.④鋪設(shè)順序原則.應(yīng)使各定向單層盡量沿層合板厚度均勻分布，避免將同一方向鋪層集中放置.⑤鋪層最小比例原則.為使復(fù)合材料的基體沿各方向均不受載，對于由方向為0°，90°， ±45°鋪層組成的層合板，任一方向的鋪層厚度最小占比應(yīng)≥10%.

綜合以上原則，本文選擇0°，±45°，90°的4種鋪層方向.其中0°層主要用于抗拉壓以及彎曲載荷，故可將0°層作為單向?qū)佑糜诩訌?；?5°層和-45°層設(shè)置成一對相鄰鋪層組合，這樣在制造中可使用交織布以降低鋪層工作量，同時可以提高抗剪切性能；90°層和0°層獨立使用，在實際制造中可用交織布與單向布的共同使用來實現(xiàn)；鋪層對稱布置；各鋪層方向厚度占比不低于10%；考慮到通常單體殼車身碳纖維總鋪層在20層以內(nèi)，則每一層單側(cè)單角度鋪層應(yīng)小于10層，故各方向鋪層厚度初始值為1.0 mm.車身優(yōu)化初始鋪層設(shè)置如表3所示，鋪層序號由外到內(nèi)遞增.鋪層對稱布置，表格中省略了對稱鋪層.

表3 單體殼車身優(yōu)化初始鋪層設(shè)置

3.3.2 自由尺寸優(yōu)化結(jié)果

圖2為自由尺寸優(yōu)化后的單體殼車身總厚度和各鋪層厚度.圖2a顯示優(yōu)化后車身殼體最大厚度為26.4 mm.考慮安裝時車身與懸架連接點處會增加預(yù)埋鋼件，故此處厚度在優(yōu)化時設(shè)為非優(yōu)化區(qū)域，厚度設(shè)置為16.6 mm.圖2b所示鋁蜂窩板的最大厚度25.0 mm，最小為15.0 mm.圖2c～2e是優(yōu)化所得的3個方向的碳纖維層厚度，0°與90°方向碳纖維層厚度較小，而45°方向厚度較大，這是因為優(yōu)化目標函數(shù)為車身柔度最小也就是扭轉(zhuǎn)剛度最大，45°方向的鋪層的抗剪性能最好，故該方向鋪層所占比例相對較高.鋁蜂窩板厚度在優(yōu)化后并無變化，說明鋁蜂窩板對車身殼體剛度增強的貢獻很大.經(jīng)自由尺寸優(yōu)化后，單體殼車身質(zhì)量從35.7 kg降至9.4 kg.

a總厚度b鋁蜂窩板厚度

c0°鋪層d45°鋪層e90°鋪層

圖2 自由尺寸優(yōu)化后的單體殼車身總厚度以及鋪層厚度

Fig.2 Thickness of monocoque body and plys after free size optimization

由于在該優(yōu)化中，碳纖維各鋪層的順序不是最優(yōu)布置，因此該步優(yōu)化獲得的結(jié)果只是為后續(xù)優(yōu)化提供一個初始值.將優(yōu)化結(jié)果再次導(dǎo)入OptiStruct軟件中進行處理，作為下一步尺寸優(yōu)化的初始值.

3.4 尺寸優(yōu)化

經(jīng)過自由尺寸優(yōu)化所得的各鋪層厚度是一個連續(xù)值，不便于實際制造.自由尺寸優(yōu)化之后，OptiStruct軟件自動創(chuàng)建下一步優(yōu)化用的有限元文件.同時，每個鋪層角度默認自動分為4層不同形狀以及不同厚度的鋪層，以初步實現(xiàn)厚度連續(xù)變化的鋪層的可制造性.同時對各角度的各個鋪層的剪裁形狀進行了調(diào)整，以適合實際制造.

為了解實際制造時各鋪層所需層數(shù)，需要先確定現(xiàn)有條件下可制造的鋪層最小厚度，然后按照這個厚度對自由尺寸優(yōu)化結(jié)果進行進一步離散化處理.該車身殼體選擇交織碳纖維布，經(jīng)實際測量計算，每層交織布固化后厚度在0.2 mm左右，故將交織布最小鋪層厚度優(yōu)化初始值設(shè)置為0.1 mm.由于優(yōu)化中，每個鋪層只能有1個方向，將交織布設(shè)置為兩層角度相差90°的相鄰的單向布來分析.優(yōu)化設(shè)計變量和目標函數(shù)與自由尺寸優(yōu)化相同.同時，由于自由尺寸優(yōu)化無法實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)強度以及穩(wěn)定性的有效約束，因此在尺寸優(yōu)化中，約束函數(shù)中加入了應(yīng)力的控制，約束各單元主應(yīng)力值不高于50 MPa，以確保車身殼體的強度.

圖3為尺寸優(yōu)化后的車身殼體總厚度和鋪層的厚度分布.加入應(yīng)力約束后，優(yōu)化后車身殼體總厚度與自由尺寸優(yōu)化結(jié)果相比得到增加，最大厚度由26.4 mm提高到29.8 mm.因為鋁蜂窩芯層的厚度基本不變，故在圖3中沒有單獨列出.這主要歸結(jié)于此次優(yōu)化過程中載荷工況沒有變，而鋁蜂窩板又是主要的扭轉(zhuǎn)剛度貢獻源.與自由尺寸優(yōu)化結(jié)果相比，3個方向的碳纖維層的厚度變化顯著，0°和90°方向的鋪層厚度最大值均達到了1.0 mm，45°方向的鋪層厚度達到1.4 mm.圖3c所示座艙側(cè)板45°鋪層厚度很大，因為45°鋪層對扭轉(zhuǎn)剛度提升效率最大.圖3b和圖3d所示的座艙開口處厚度增加顯著，因為0°和90°鋪層可以提高抗拉伸強度來防止開口形狀變形.截面倒角處90°鋪層厚度的增加可以防止截面形狀變化.這些都有利于實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度的最大化.

對尺寸優(yōu)化后的車身殼體進行了8字形繞樁扭轉(zhuǎn)剛度分析，邊界條件與3.2節(jié)所述相同.分析所得的Tsai-Wu復(fù)合材料失效因子[19-20]和車身扭轉(zhuǎn)變形如圖4所示.優(yōu)化后最大失效因子為0.282，小于1，滿足強度要求.優(yōu)化后車身最大扭轉(zhuǎn)變形量為175.1 mm，由此計算扭轉(zhuǎn)剛度為7 090 N·m·(°)-1，高于設(shè)計目標5 000 N·m·(°)-1.這也說明了碳纖維復(fù)合材料單體殼車身比鋼管車架具有更高的剛度性能，兩種新技術(shù)的結(jié)合所產(chǎn)生的優(yōu)勢非常顯著.為實現(xiàn)進一步的輕量化，在后續(xù)的優(yōu)化中可適當(dāng)減小各鋪層厚度，以減輕車身質(zhì)量.

a總厚度b0°鋪層c45°鋪層d90°鋪層

圖3 尺寸優(yōu)化后的單體殼車身總厚度以及鋪層厚度

圖4 尺寸優(yōu)化后車身殼體變形和材料失效分析

Fig.4 Deformation and failure analysis of the body after size optimization

3.5 鋪層順序優(yōu)化

碳纖維的鋪層順序?qū)Y(jié)構(gòu)整體強度有一定影響，同時也會影響產(chǎn)品的壽命.為減小層間應(yīng)力以及保證部分性能要求，作如下優(yōu)化設(shè)置：①相同角度鋪層數(shù)不得大于兩層，即最多兩層相鄰相同角度的鋪層；②最外層為45°和-45°鋪層，用于改善層合板和壓縮和抗沖擊性能；③鋁蜂窩作為夾芯層應(yīng)處在單側(cè)鋪層最底層；④優(yōu)化目標是剛度最大化.

圖5為鋪層順序優(yōu)化過程，最左邊為初始優(yōu)化鋪層，軟件自動根據(jù)約束及優(yōu)化條件對鋪層順序進行調(diào)整直到結(jié)果滿足條件.優(yōu)化后車身殼體從外至內(nèi)的單側(cè)鋪層順序為: 45°/-45°/45°/-45°/90°/90°/45° /-45°/ 0°/0°/90°/90°/45°/-45°/ 0°/0°/鋁蜂窩層.由于對各鋪層進行了剪裁，其中很多鋪層并未覆蓋全部車身，故車身局部區(qū)域?qū)嶋H鋪層與上述整體鋪層不同.優(yōu)化后的鋪層順序符合所有設(shè)置的要求.考慮鋪層厚度沒有變化，因此經(jīng)過鋪層優(yōu)化后的單體殼車身扭轉(zhuǎn)剛度變化不大，只需進行失效分析，圖6為失效因子分布圖.最大失效因子為0.275，比鋪層順序優(yōu)化前0.282有所降低.另外一方面，在鋪層優(yōu)化中加入了很多復(fù)合材料鋪層的工程經(jīng)驗，提高了該單體殼車身的制造工藝性，這一點對于小批量生產(chǎn)的零件非常重要.

圖5 鋪層順序優(yōu)化過程示意

圖6 鋪層優(yōu)化后的車身殼體失效因子分布

3.6 彎曲剛度和剪切強度校核及結(jié)構(gòu)修改

大學(xué)生方程式賽車規(guī)則對車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)有嚴格的安全性要求，要求如下：①車身殼體側(cè)防撞結(jié)構(gòu)應(yīng)在抗彎剛度方面和兩個側(cè)碰鋼管具有相同的性能；②在規(guī)則要求試驗條件下，單體殼前隔板支撐面周向剪切破壞力應(yīng)高于4.0 kN，側(cè)邊防撞區(qū)域結(jié)構(gòu)周向剪切破壞力應(yīng)高于7.5 kN.

本文依據(jù)FSAE賽車規(guī)則的相關(guān)試驗要求制定關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的剪切強度校核以及抗彎強度校核兩組試驗.①板件的三點彎曲試驗：5塊鋪層不同的試驗板件，試驗板件規(guī)格均為500 mm×300 mm；三點彎曲兩支點間距為320 mm；試驗壓頭接觸部分為半徑50 mm圓弧，壓頭寬度300 mm，速度為5 mm·min-1；剛度計算使用標準載荷5 000 N，之后加載增加直至板材破壞.②板件的圓周剪切試驗：6塊鋪層不同的試驗板件，試驗板件規(guī)格為100 mm×100 mm；剪切試驗壓頭為直徑25 mm圓柱，速度為5 mm·min-1；試件底部支持平板留有直徑為32 mm圓孔與壓頭相配，試件其他部分應(yīng)完全由平板支撐；壓頭倒角小于1 mm.剪切強度計算使用標準載荷7 500 N，之后加載至破壞.

圖7所示為與實際車身結(jié)構(gòu)完全相同的碳纖維鋁蜂窩復(fù)合材料三點彎曲試驗和圓周剪切試驗.板件破壞以Tsai-Wu準則[20]下的失效系數(shù)為依據(jù).

a三點彎曲試驗b剪切強度試驗

圖7 彎曲剛度和剪切強度試驗

Fig.7 Experiments of berding stiffness and

shear strength

三點彎曲試驗結(jié)果顯示板材都具有明顯的線性剛度區(qū)域，其中3塊板件直到破壞一直保持線性剛度，另外2塊板件剛度在達到線性區(qū)域最大值后由于芯材塑性變形而小幅水平波動直到破壞.剛度的有限元分析結(jié)果比試驗結(jié)果普遍低10%左右.圓周剪切試驗中，夾層厚度小于15.0 mm的層合板破壞時兩表面蒙皮同時出現(xiàn)破壞；夾層厚度大于15.0 mm的層合板破壞時僅上層蒙皮出現(xiàn)破壞.根據(jù)薄層合板與厚層合板在試驗中出現(xiàn)的不同破壞形式，在有限元仿真中設(shè)置了層合板的破壞條件.根據(jù)試驗結(jié)果，對規(guī)則要求的車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的有限元分析結(jié)果進行修正.修正后，車身殼體側(cè)防撞板件剛度為4 504.5 N·mm-1，周向剪切破壞力為17 400 N，大于7 500 N，均符合規(guī)則要求；而修正后的前隔板支持板周向剪切破壞力僅為1 870 N，小于4 000 N，低于規(guī)則要求，故需要通過增加鋪層來提高強度.

由于車身外側(cè)的剪切強度主要取決于層合板外側(cè)蒙皮和夾層.為實現(xiàn)車身輕量化，僅將車身前隔板支撐結(jié)構(gòu)的外側(cè)鋪層加厚.考慮到車身碰撞過程中的載荷自前向后的傳遞特性，隔板區(qū)域增加0°鋪層來提高碰撞安全性.調(diào)整如下：前隔板支撐區(qū)域從外向內(nèi)的鋪層順序從原來的-45°/45°/90°/0°/鋁蜂窩/0°/90°/45°/-45°,變?yōu)?45°/45°/90°/0°/0°/90°/0°/鋁蜂窩/0°/90°/45°/-45°.修改后的前隔板支撐板周向剪切破壞力為5 040 N，符合規(guī)則要求.經(jīng)過上述修改后車身殼體的扭轉(zhuǎn)剛度下降到了5 483 N·m·(°)-1，滿足5 000 N·m·(°)-1的設(shè)計要求.車身質(zhì)量24.3 kg，與參考鋼制車身質(zhì)量37.0 kg相比，下降了12.7 kg，質(zhì)量下降34%，輕量化效果顯著.

4 結(jié)論

(1) 所設(shè)計的單體殼車身在考慮預(yù)埋件質(zhì)量、前環(huán)質(zhì)量以及后車架質(zhì)量后達到了24.3 kg，質(zhì)量比原有鋼管車架結(jié)構(gòu)方案下降34%.單體殼車身的扭轉(zhuǎn)剛度為5 483 N·m·(°)-1，高于設(shè)計目標值5 000 N·m·(°)-1.

(2) 碳纖維具有優(yōu)異的軸向強度和高彈性模量，通過鋪層方向、鋪層順序和各層厚度的合理匹配，可使碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品擁有超過鋼制產(chǎn)品的力學(xué)性能.

(3) 碳纖維復(fù)合材料與單體殼結(jié)構(gòu)技術(shù)的結(jié)合可更大程度發(fā)揮碳纖維的輕質(zhì)且高強度的優(yōu)勢，該種結(jié)構(gòu)的研發(fā)制造成本較高，但對于追求極致輕量化的運動性汽車是一個較好的選擇.

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Optimization of a Carbon Fiber Composite Monocoque Car Body for Formula Society of Automotive Engineers

YU Haiyan, XU Hao, ZHOU Chenxiao

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804, China)

A monocoque chassis for racing car was designed with the carbon fiber and aluminum honeycomb as the main materials. Different materials were studied and chosen. The direction, sequence and thickness of each constituent layer were sequently optimized with free-size optimization, size optimization and shuffle optimization. The torsion strength and bending stiffness of the monocoque car body were mechanically and experimently checked. The results show that the mass of the body is 24.3 kg, which is 34% lower than the orignal steel frame, and the torsional stiffness of the designed carbon fiber monocoque car body can reach the same degree with the

teel frame body. With optimized match of direction, the thickness and sequence of each layer, and carbon fiber composites products can provide more strength and stiffness than steel products.

Formula Society of Automotive Engineers(FSAE)； carbon fiber； monocoque car body； light weighting

2015-12-15

國家自然科學(xué)基金(51175382)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項資金(20113169)

余海燕(1976—)，女，教授，博士生導(dǎo)師, 工學(xué)博士，主要研究方向為車身結(jié)構(gòu)與工藝.E-mail：yuhaiyan@#edu.cn

徐 豪(1993—)，男，碩士生，主要研究方向為車身輕量化.E-mail:decoxu@gmail.com

TB332

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