碳纖維復(fù)合材料汽車B柱中部支撐板設(shè)計(jì)與分析

陳偉，朱小鎮(zhèn)

（眾泰汽車工程研究院，浙江 杭州 310018）

關(guān)鍵字：碳纖維復(fù)合材料；B柱中部支撐板；設(shè)計(jì)與分析

引言

當(dāng)前汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是，汽車產(chǎn)量與保有量的不斷增加加劇了能源、環(huán)境、安全等方面的問題。因此開發(fā)制造節(jié)能、環(huán)保的汽車是各企業(yè)發(fā)展的主要方向，但就當(dāng)前技術(shù)而言，采用汽車輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)降低油耗和減少排放的最有效措施之一。汽車輕量化作為有效的節(jié)能和環(huán)保的有效措施，在近十年來成為汽車行業(yè)大力發(fā)展的趨勢(shì)。

汽車輕量化的一種重要技術(shù)路徑就是應(yīng)用新工藝和新技術(shù)的新型復(fù)合材料，其以高強(qiáng)度、低密度的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代金屬在輕量化上有極大的優(yōu)勢(shì)。碳纖維復(fù)合材料除保留原有的材料特性外，通過設(shè)計(jì)可以使各組分材料彼此關(guān)聯(lián)，性能互補(bǔ)，獲得綜合性能具有單一材料難以比擬的優(yōu)異性能。碳纖維復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、可設(shè)計(jì)、抗疲勞和損傷、耐腐蝕、整體成型、結(jié)構(gòu)和功能一體化、減振性好、熱膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn)，作為節(jié)能和新能源汽車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。

1 CFRP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程

碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是一項(xiàng)需要考慮原材料組分的性能和質(zhì)量、原組分材料的比例和復(fù)合工藝、復(fù)合材料界面粘接和處理等眾多性能和質(zhì)量因素的設(shè)計(jì)工作。經(jīng)過這幾年的在汽車行業(yè)的推廣，碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)使用方法主要為一般設(shè)計(jì)法和等代設(shè)計(jì)法。其中等代設(shè)計(jì)法是以原材料的結(jié)構(gòu)件定位設(shè)計(jì)目標(biāo)，保持原設(shè)計(jì)基本變量不變，根據(jù)需要選擇替換的碳纖維復(fù)合材料，適當(dāng)修改結(jié)構(gòu)參數(shù)，增加或減少構(gòu)件，達(dá)到目標(biāo)效果。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)過程中，等代設(shè)計(jì)通常按照等剛度原則進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)，然后在通過強(qiáng)度驗(yàn)證。通常，碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品開發(fā)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程為：

圖1 碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程圖

2 CFRP汽車B柱中部支撐板設(shè)計(jì)與分析

汽車B柱中部支撐板的設(shè)計(jì)原則為采用碳纖維材料替代高強(qiáng)鋼，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在滿足原鈑金件力學(xué)性能和裝配要求的前提下，可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品大幅減重。其中，零件剛度、三點(diǎn)彎曲強(qiáng)度不低于原鈑金件，側(cè)碰侵入量和侵入速度滿足安全法規(guī)要求。依據(jù)碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程，對(duì)汽車B柱中部支撐板選擇碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行等代設(shè)計(jì)步驟如下：

2.1 金屬B柱中部支撐板的剛度和強(qiáng)度計(jì)算

通過對(duì)金屬B柱中部支撐板零件的各種受力狀況，確定碳纖維復(fù)合材料B柱中部支撐板需要達(dá)到的零部件級(jí)的力學(xué)性能。

圖2 B柱中部支撐板零部件分析工況

表1 金屬B柱中部支撐板仿真分析結(jié)果

根據(jù)上述的分析工況，計(jì)算得到如下的金屬B柱中部支撐板零件的力學(xué)性能；

2.2 碳纖維B柱中部支撐板數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)和材料選擇

根據(jù)碳纖維復(fù)合材料的特點(diǎn)取消鈑金件的結(jié)構(gòu)特征，降低工藝和模具加工成本，包括兩邊和底面凸凹部分；螺母由四邊形改為帶法蘭邊圓形螺母，螺母和B柱中部支撐板焊接改為法蘭邊膠粘；壁厚向內(nèi)側(cè)加厚1.5mm，總厚度為3mm；保留原定位孔和電泳孔，取消工藝孔，所有孔采用成型后加工；碳纖維B柱中部支撐板與配合的鈑金件采用膠粘連接，鑒于真空袋壓成型件表面平整度較模壓差，設(shè)計(jì)涂膠厚度0.5mm；與周邊金屬配合面保持不變，鉸鏈、鎖扣和限位器配合方式保持不變。該設(shè)計(jì)方案碳纖維復(fù)合材料汽車B柱中部支撐板重量降低約55%。

圖3 金屬方案數(shù)模

圖4 復(fù)才方案數(shù)模

B柱中部支撐板為結(jié)構(gòu)安全件，對(duì)側(cè)面碰撞保持B柱整體剛度有著重要的作用，因此碳纖維布選用 T700/12K，1m幅寬，200克重的單向編織布，樹脂選用AL-8935環(huán)氧樹脂，結(jié)構(gòu)膠選用抗碰撞結(jié)構(gòu)膠。

表2 復(fù)合材料性能表

2.3 碳纖維B柱中部支撐板鋪層設(shè)計(jì)

根據(jù)碳纖維復(fù)合材料B柱中部支撐板的受力特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行包括確定鋪層總層數(shù)、各鋪層角度設(shè)百分比、各方向鋪疊順序等的鋪層設(shè)計(jì)。為確保碳纖維復(fù)合材料件有較好的綜合力學(xué)性能，鋪層設(shè)計(jì)須確保 0°、90°、±45°幾個(gè)方向上至少 10%的層數(shù)，同時(shí)±45°鋪層最好成對(duì)出現(xiàn)，避免拉彎和拉剪耦合，鋪層盡可能的對(duì)稱、均衡，各方向鋪層盡可能的分散開，避免成型脫模后翹曲和變形。B柱中部支撐板的作用主要是保護(hù)側(cè)面碰撞中保持B柱不變形或少變形以保證乘員艙的空間，主要承受拉壓載荷，根據(jù)復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)一般規(guī)范，0°方向鋪層居多為佳，設(shè)定初始鋪層方案如下表：

表3 B柱中部支撐板鋪層方案表

2.4 碳纖維B柱中部支撐板的剛度和強(qiáng)度計(jì)算

在與金屬相同的分析工況下，分析碳纖維復(fù)合材料B柱中部支撐板的性能結(jié)果如下表：

表4 碳纖維復(fù)合材料B柱中部支撐板仿真分析結(jié)果

2.5 金屬與碳纖維B柱中部支撐板性能對(duì)比

計(jì)算結(jié)果對(duì)比可知：碳纖維復(fù)合材料方案結(jié)構(gòu)相比金屬方案結(jié)構(gòu)，各階模態(tài)頻率有顯著提高；軸向壓縮工況下，Z向剛度值有輕微提高；在后向彎曲工況下，X向剛度有所減弱，但變化不大；側(cè)向彎曲工況下，Y向剛度值有顯著提高；3點(diǎn)彎工況下，最大接觸力好于原金屬方案，因此等代設(shè)計(jì)的碳纖維復(fù)合材料汽車B柱中部支撐板方案是可行的。

3 CFRP汽車B柱中部支撐板整車側(cè)面碰撞驗(yàn)證

根據(jù)等代設(shè)計(jì)的要求，以金屬B柱中部支撐板的結(jié)構(gòu)件側(cè)面碰撞結(jié)果為設(shè)計(jì)目標(biāo)，保持原設(shè)計(jì)基本變量不變。根據(jù)C-NCAP(2018版)要求側(cè)面碰撞要求，采用大臂障1400kg臺(tái)車進(jìn)行側(cè)面50kn/h碰撞分析，以B柱的截面力、加速度、入侵速度、入侵量等為響應(yīng)分析碳纖維復(fù)合材料汽B柱中部支撐板的綜合性能。

比較圖5-6可見，兩種不同材料設(shè)計(jì)的B柱中部支撐板的B柱總成變形形態(tài)基本一致，保持著整個(gè)B柱剛性和強(qiáng)度。

圖5 金屬方案B柱總成變形圖

圖6 復(fù)才方案B柱總成變形圖

表5 整車側(cè)面碰撞分析結(jié)果表

由上表可知，在整車側(cè)面碰撞過程中與金屬方案相比，復(fù)合材料方案B柱最大截面力有所提高，門檻最大截面力輕微降低；柱內(nèi)板最大侵入速度與最大侵入量都有所降低；前門內(nèi)板最大侵入速度與最大侵入量都有所降低。

4 總結(jié)

本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程進(jìn)行了簡(jiǎn)單論述，然后采用等剛度設(shè)計(jì)方法對(duì)碳纖維復(fù)合材料B柱中部支撐板的B柱總成進(jìn)行了零部件級(jí)的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度分析并與原金屬方案性能對(duì)比，并在整車側(cè)面碰撞上進(jìn)行了性能驗(yàn)證。在滿足原金屬方案的性能原則下，通過多輪的優(yōu)化設(shè)計(jì)，碳纖維復(fù)合材料B柱中部支撐板零件減重55%，達(dá)到了最佳的輕量化效果。