基于CAE的CFRP方程式賽車車身碰撞性能研究

田聰聰　李富柱　李偉　郭玉琴

為了研究碳纖維復(fù)合材料（CFRP）汽車構(gòu)件的碰撞性能，論文以方程式賽車車身為研究對(duì)象，基于CATIA和Abaqus軟件，完成了CFRP方程式賽車車身的CAD三維建模和CAE碰撞仿真分析，研究了五種不同鋪層方案下，CFRP方程式賽車車身在相同碰撞條件下的變形及破壞行為、應(yīng)力分布情況，著重分析了不同鋪層方式對(duì)最大主應(yīng)力值、CFRP構(gòu)件破壞模式及位置、抗沖擊承載能力和碰撞吸能性的影響，確定了綜合碰撞性能較好的鋪層設(shè)計(jì)方案，對(duì)提高車輛的安全性和經(jīng)濟(jì)性、縮短生產(chǎn)周期具有重要意義。

一、前言

碳纖維復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforcement Polymers，CFRP）因?yàn)榫哂懈弑葟?qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、震動(dòng)衰減性高、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)某設(shè)計(jì)與工藝部門的PDM系統(tǒng)間進(jìn)行接口開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在不同部門間的數(shù)據(jù)交換與管理。

小等一系列優(yōu)異性能，而成為汽車輕量化材料的首選。以現(xiàn)代F1賽車為例，其底盤、變速箱、懸架和剎車等都可以采用碳纖維復(fù)合材料制造，分別占整車體積的85%和整車質(zhì)量的30%。幾乎全部采用CFRP制成的SLR邁凱倫超級(jí)跑

當(dāng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)部門受控后，根據(jù)雙方PDM系統(tǒng)接口定義要求，由設(shè)計(jì)部門的PDM系統(tǒng)自動(dòng)將發(fā)送的數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的格式導(dǎo)出，數(shù)據(jù)包包括XML、物理文件等，其中XML為包含設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)屬性、數(shù)量、BOM等信息，如圖5所示（限于篇幅，只截取局部文檔）。工藝部門在接收到數(shù)據(jù)包后，以自動(dòng)或手工的方式將數(shù)據(jù)包解析后導(dǎo)入工藝部門的PDM系統(tǒng)，手工導(dǎo)入界面如圖6所示，數(shù)據(jù)導(dǎo)入PDM系統(tǒng)后如圖7所示。

五、結(jié)語(yǔ)

本文研究的面向異構(gòu)PDM平臺(tái)的數(shù)據(jù)交換技術(shù)，解決了型號(hào)研制過(guò)程中設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)在不同PDM間的數(shù)據(jù)交換問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)多部門、跨地域的產(chǎn)品協(xié)同研制，實(shí)現(xiàn)航天產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和協(xié)同化，為航天產(chǎn)品由傳統(tǒng)研制方式向異地?cái)?shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)制造模式的轉(zhuǎn)變提供技術(shù)支持。車，其碰撞性能性比也鋼材或鋁材高出4～5倍。CFRP汽車構(gòu)件的開(kāi)發(fā)流程涉及到的工作量巨大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)且成本高，難以適應(yīng)對(duì)全球化市場(chǎng)快速響應(yīng)的要求，因而對(duì)CAD/CAE/CAM提出了迫切需求。CATIA作為汽車設(shè)計(jì)的核心工具，在3D實(shí)體造型、曲面造型和線框造型等方面更具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，另一方面Abaqus作為通用的CAE仿真分析軟件，具有專門用于復(fù)合材料設(shè)計(jì)的Plyup模塊，可方便地對(duì)復(fù)合材料進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，包括材料參數(shù)、鋪設(shè)角度、厚度設(shè)定，分析CFRP產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)性能、預(yù)測(cè)其強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性、碰撞吸能性及疲勞壽命等，可為新產(chǎn)品研發(fā)提供指導(dǎo)，為解決實(shí)際工程問(wèn)題提供依據(jù)，是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化設(shè)計(jì)制造的關(guān)鍵技術(shù)之一。本文以方程式賽車車身為研究對(duì)象，采用CATIA V5完成其三維模型的建立，用Abaqus對(duì)不同鋪層設(shè)計(jì)的車身構(gòu)件進(jìn)行碰撞性能仿真分析，根據(jù)仿真分析結(jié)果確定了合理的鋪層方式，為有效提高CFRP汽車構(gòu)件的安全性提供重要的方法指導(dǎo)。

二、車身CAD模型的建立

將已有車架模型導(dǎo)入CATIA軟件中，如圖1（a）所示，然后根據(jù)車架構(gòu)造車身主要曲面，再經(jīng)曲面拉伸、填充、橋接和接合等操作完成賽車車身左半邊的三維建模，最后經(jīng)過(guò)鏡像成完整車身建模，如圖1（b）所示。

三、方程式賽車車身碰撞仿真模型建立

先利用Abaqus軟件自帶的建模模塊建立墻體（長(zhǎng)方體）模型，再將第2節(jié)中建立的車身模型導(dǎo)入ABAQUS軟件并完成裝配，如圖2（a）所示；在屬性界面中分別定義車身和墻體的材料參數(shù)，如表1所示；接著在屬性下的編輯復(fù)合層中設(shè)計(jì)如表2所示的五種鋪層；分別對(duì)采用六面體網(wǎng)格和殼體網(wǎng)格對(duì)墻體和車身部件劃分網(wǎng)格如圖2（b）所示；選擇動(dòng)力顯式法建立分析步，設(shè)定墻體為剛性約束，創(chuàng)建相互作用屬性，定義車身在前環(huán)位置和車鼻中部位置為固定約束，碰撞速度設(shè)為V₁=-350m/s。

四、仿真結(jié)果分析

第3節(jié)中所建立的仿真模型經(jīng)提交運(yùn)算后，所得仿真結(jié)果應(yīng)力云圖見(jiàn)圖3所示，最大主應(yīng)力及應(yīng)變能曲線分別見(jiàn)圖4（a）、4（b）所示。

觀察圖3可發(fā)現(xiàn)：（1）五種鋪層方式在所設(shè)定條件是碰撞后，最大應(yīng)力皆發(fā)生在車鼻前端兩側(cè)圓角處（如圖3各紅色圈中所示），且均超過(guò)了CFRP材料的斷裂強(qiáng)度3400MPa。（2）在相同的碰撞條件下，第1種鋪層方案（0°/0°/0°）最大主應(yīng)力達(dá)到12135.6MPa，破壞最嚴(yán)重；第Ⅱ（-45°/0°/45°）、Ⅲ（45°/0°/45°）種鋪層方案下最大主應(yīng)力分別達(dá)到8164.08MPa和8164.1MPa，破壞程度次之；

第Ⅳ（90°/0°/90°）、V（90°/90°/90°）種鋪層方案下最大主應(yīng)力分別達(dá)到5360.14MPa和5360.14MPa，破壞程度最輕。（3）鋪層間夾角相同，但鋪層方向不同時(shí)，最大應(yīng)力值變化不大，分別為8164.08MPa和8164.1MPa，但最大應(yīng)力值發(fā)生的位置顯著不同，如圖3（b）、3（c）所示。

從4（a）、（b）可以看出：（1）CFRP方程式賽車車身在碰撞過(guò)程呈現(xiàn)出典型的線彈性變形及破壞行為；（2）由圖4（a）可知碰撞結(jié)束時(shí)的最大主應(yīng)力值由大到小排列為：方案Ⅰ（0°/0°/0°）>方案Ⅱ（-45°/0°/45°）/方案Ⅲ（45。/0°/45°）>方案Ⅳ（90°/0°/90°）/V（90°/90°/90°），這也是上述幾種鋪層方案下CFRP方程式賽車車身抗沖擊承載能力由劣到好的順序；（3）由圖4（b）可知碰撞結(jié)束時(shí)的應(yīng)變能由小到大排列為V（90°/90°/90°）<方案Ⅳ（90°/0°/90°）<方案Ⅱ（-45°/0°/45。）<方案Ⅲ（45°/0°/45°）<方案Ⅰ（0°/0°/0°），這反映了幾種不同鋪層方案下CFRP方程式賽車車身碰撞吸能性由劣到好的順序。綜上所述，綜合考慮抗沖擊承載能力和碰撞吸能性兩方面的要求，方案Ⅱ（45°/0°/45°）和方案Ⅲ（45°/0°/45°）能獲得比較好的綜合碰撞性。

五、結(jié)語(yǔ)

基于CATIA和Abaqus軟件，完成了CFRP方程式賽車車身的CAD三維建模和CAE碰撞仿真分析，研究了五種不同鋪層方案下，CFRP方程式賽車車身在相同碰撞條件下的變形及破壞行為、應(yīng)力分布情況，得出如下結(jié)論：（1）碰撞結(jié)束后最大主應(yīng)力發(fā)生在車鼻前端兩側(cè)圓角處；（2）鋪層方式對(duì)最大主應(yīng)力值、破壞模式及位置有顯著影響；（3）（-45°/0°/45°）、（45°/0°/45°）兩種鋪層方式下，CFRP方程式賽車車身能獲得比較好的綜合碰撞性；（4）鋪層方式對(duì)CFRP方程式賽車車身的碰撞性能有顯著影響，且某一種鋪層方案很難同時(shí)獲得優(yōu)異的抗沖擊承載能力和碰撞吸能性。因此借助CAD/CAE仿真分析手段，對(duì)CFRP方程式賽車車身進(jìn)行鋪層方案優(yōu)選和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)提高車輛的安全性、經(jīng)濟(jì)性和輕量化水平，縮短生產(chǎn)周期，降低制造成本具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。