碳纖維復(fù)合材料汽車B柱加強(qiáng)板的優(yōu)化與性能分析

馬芳武 熊長麗 楊猛 蒲永鋒 王曉軍 支永帥

摘? ?要：通過建立B柱總成的有限元仿真模型，在等剛度原則下，對碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)版進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、鋪層角度優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對B柱總成進(jìn)行三點(diǎn)彎曲有限元仿真，獲取優(yōu)化后模型的最大位移及最大強(qiáng)度.通過真空導(dǎo)入成型工藝制作B柱加強(qiáng)板樣件，并對碳纖維復(fù)合材料B柱總成進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，校核總成的強(qiáng)度指標(biāo).最后基于2018版C-NCAP標(biāo)準(zhǔn)分析整車側(cè)面碰撞性能.通過對比剛度、彎曲性能、側(cè)面碰撞侵入量、側(cè)面碰撞侵入速度、側(cè)面碰撞加速度，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板可在保證剛度、強(qiáng)度及側(cè)面碰撞性能的前提下替代原鋼制B柱加強(qiáng)板，并使B柱加強(qiáng)板減重1.376 kg，減重比達(dá)到76.4%.

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;輕量化;B柱加強(qiáng)板;優(yōu)化設(shè)計(jì)

中圖分類號：U465.6? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Optimization and Performance Analysis

of CFRP Automotive B-pillar Reinforced Plate

MA Fangwu1，XIONG Changli2，YANG Meng1，PU Yongfeng1？覮，WANG Xiaojun1，ZHI Yongshuai1

（1.State Key Laboratory of Automotive Simulation and Control，Jilin University，Changchun 130025，China;

2.Safety Engineering and Virtual Technology Department，SAIC Motor Technical Center，Shanghai 201804，China）

Abstract： This study starts from setting up the finite element simulation model of B-pillar assembly. Then， the size， free size and laminate orientation of carbon fiber composite B-pillar reinforced plate were optimized based on the principles of constant stiffness. Maximum strength and displacement of the assembly were obtained through Finite Element （FE） simulation of quasi-static three-point bending test on B-pillar assembly. B-pillar sample was fabricated by a Vacuum Infusion Process （VIP） and conducted on a three-point bending test to check the strength index of the B-pillar assembly. Finally， according to 2018 C-NCAP standards， side impact performance of vehicle was elaborated. The comparison results among stiffness， flexural property， side impact intrusion， intrusion velocity and acceleration indicate that the optimization design of CFRP can replace the original B-pillar steel reinforced plate under the premise of ensuring rigidity， strength and side impact performance. CFRP B-pillar reinforcement plate is 1.376kg lighter than that of the conventional one， and the weight loss ratio is up to 76.4%.

Key words：Carbon Fiber Reinforced Plastic（CFRP）;lightweight;B-pillar reinforcement plate;optimization

近年來，能源危機(jī)和環(huán)境污染使汽車輕量化顯得尤為重要，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）由于其優(yōu)越的力學(xué)性能如高機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量、低密度和良好的耐熱性和可設(shè)計(jì)性而在汽車結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)

用[1]，國內(nèi)外學(xué)者對其在汽車結(jié)構(gòu)上的輕量化設(shè)計(jì)均進(jìn)行了相關(guān)研究.

郭永奇等[2]基于等剛度代換理論對鋼結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行了碳纖維復(fù)合材料的替換，使替換后不同工況下結(jié)構(gòu)剛度提升，減重達(dá)到46%.王慶等[3]對某款純電動汽車的保險(xiǎn)杠進(jìn)行了設(shè)計(jì)，優(yōu)化出了一種整體式碳纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料保險(xiǎn)杠，在滿足耐撞性的前提下，減重可達(dá)36%.美國通用汽車研發(fā)中心運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料乘用車頂棚，選用單向帶和編織布的數(shù)據(jù)，以復(fù)合材料失效理論作為約束，設(shè)計(jì)復(fù)合材料鋪層厚度和角度，與金屬相比減重高達(dá)70%[4]. SangHuyk等[5]對

CFRP材料的汽車的控制臂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，運(yùn)用均勻場理論，采用有限元方法優(yōu)化設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料下控制臂，同時(shí)保證該結(jié)構(gòu)的剛度和耐久性要求，使結(jié)構(gòu)輕量化效果提升30%. Kim[6]等運(yùn)用等效靜載荷原理對碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩蓋的鋪層角度和次序進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的同時(shí)，對行人的保護(hù)效果大幅提升. Kim等[7]采用經(jīng)典層合板理論確定層合板的機(jī)械性能，基于UGA優(yōu)化算法優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)，通過有限元方法優(yōu)化得到最優(yōu)方案，最后進(jìn)行驗(yàn)證得到最輕質(zhì)的保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu).而目前國內(nèi)外對于B柱，尤其是復(fù)合材料B柱的研究較少.李勇俊等[8]以輕量化為目標(biāo)，構(gòu)建代理模型并采用多島遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化，得到各個(gè)子層區(qū)域的鋪層層數(shù).結(jié)果表明在滿足工藝要求的條件下，整車在頂壓和側(cè)面碰撞中的耐撞性得到了明顯提升，同時(shí)B柱重量減輕了61.4%.趙運(yùn)運(yùn)等[9]采用數(shù)值模擬與試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了汽車B柱22MnB5高強(qiáng)度鋼熱沖壓成形工藝，并驗(yàn)證了該成型工藝的可靠性. Liu等[10]提出了一種新的復(fù)合材料B柱結(jié)構(gòu)，并對其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和全局靈敏度分析.優(yōu)化后的復(fù)合材料B柱能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化的目的并能提升耐撞性.

以上幾個(gè)方面的研究內(nèi)容，對碳纖維復(fù)合材料車身覆蓋件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了豐富的經(jīng)驗(yàn)和指導(dǎo). 與在汽車覆蓋件上的應(yīng)用研究相比，碳纖維復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)件上的應(yīng)用較少. B柱作為車身典型的結(jié)構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)相對獨(dú)立，為保證整車良好的側(cè)面碰撞性能，B柱通常使用多塊加強(qiáng)板，不利于輕量化設(shè)計(jì)而且給車身設(shè)計(jì)和裝配增加了復(fù)雜度，本文選擇具有代表性的B柱組件作為研究對象進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)分析.

1? ?碳纖維復(fù)合材料參數(shù)的獲取

本文通過力學(xué)性能試驗(yàn)獲取工程常數(shù)，選用單向碳纖維（臺麗）與環(huán)氧樹脂（昆山珍實(shí)復(fù)合材料有限公司），其性能見表1，采用RTM成型工藝，注射機(jī)型號為Isojet Piston4000.將裁剪好的碳纖維單向布按標(biāo)準(zhǔn)的鋪層方式鋪設(shè)在模具中，將環(huán)氧樹脂A劑和B劑按4 ∶ 1的質(zhì)量比混合后，加入到RTM注射機(jī)內(nèi)并注射.待模具內(nèi)碳纖維布完全浸潤后，將其放置在60 ℃的烘箱內(nèi)固化2 h.將制作好的層合板根據(jù)ASTM[11-13]試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)切割成特定形狀并進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，萬能試驗(yàn)機(jī)型號為WANCE-ETB-B.

由于復(fù)合材料應(yīng)變很小，采用普通應(yīng)變測量方法誤差較大，本次性能試驗(yàn)采用非接觸全場應(yīng)變測量系統(tǒng)（DIC）測量材料的應(yīng)變. 力學(xué)性能試驗(yàn)主要包括：0°/90°拉伸試驗(yàn)，0°/90°壓縮試驗(yàn)，±45°剪切試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

2? ?復(fù)合材料有限元建模

使用CATIA進(jìn)行有限元建模，并使用Hyperworks進(jìn)行參數(shù)設(shè)定和網(wǎng)格劃分. 采用的有限元模型材料有兩類，各向同性材料與各向異性材料.其中B柱外板材料為DC54D鋼，其密度為7.89 g/cm3，泊松比為0.33，彈性模量為210 GPa.復(fù)合材料采用膠粘連接，結(jié)構(gòu)膠的彈性模量0.9 GPa，密度1.26 g/cm3，泊松比0.35. 按照表2對碳纖維復(fù)合材料的材料屬性賦值，其采用[0/45/90/-45/0/45/0/-45]S對

稱鋪層方案，單層厚度為0.3 mm，鋪層總厚度為

4.8 mm.

選取5 mm為基本單元尺寸劃分網(wǎng)格，膠粘連接采用體單元和剛性連接單元模擬，劃分完網(wǎng)格的B柱中總的單元數(shù)為3 767，其中三角形單元僅占2.7%，節(jié)點(diǎn)數(shù)為3 929.整個(gè)B柱加強(qiáng)板有限元模型其中單元數(shù)為17 850，三角形單元占總單元的3.25%，節(jié)點(diǎn)數(shù)為18 403.因?yàn)樘祭w維復(fù)合材料在力學(xué)性能上表現(xiàn)為各向異性，在有限元建模中需要定義0°纖維的方向，其他角度的纖維方向參考該方

向[14].根據(jù)B柱的典型受力狀況，選取自由模態(tài)Mf，軸向拉伸Nzt、軸向壓縮Nzc、后向彎曲Nx、側(cè)向彎曲Ny工況.其中約束加載點(diǎn)在x，y，z軸的平動分別用1、2、3表示，繞著x，y，z軸的轉(zhuǎn)動用4、5、6表示.在外板頂部建立RBE2剛性單元，其中剛性單元的中心節(jié)點(diǎn)為力的加載點(diǎn)P1，后車門上鉸鏈安裝孔P2，前門鎖扣安裝孔P3，后車門下鉸鏈安裝孔P4. 四個(gè)工況受力示意圖如圖1所示，四個(gè)工況的邊界條件設(shè)置見表3.

3? ?結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

使用Hyperworks下的Optistruct模塊進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

3.1? ?自由尺寸優(yōu)化

為探究板殼結(jié)構(gòu)上每個(gè)單元的最佳厚度，將復(fù)合材料層合板按SMEAR方式的超級層進(jìn)行鋪層，得到復(fù)合材料的平均力學(xué)性能[15].對碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板自由尺寸優(yōu)化的表示為：

優(yōu)化變量：t = （t1，t2，…，tn）T? ? ? ? ? ? （1）

式中：ti是B柱加強(qiáng)板上每個(gè)單元的第i超級層的厚度.本優(yōu)化選擇常用的0°，±45°，90°四個(gè)角度的鋪層作為超級層，故n取值為4.

優(yōu)化目標(biāo)：min（v） = si ti? ? ? ? ? ? （2）

式中：v為復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板體積，si為每一鋪層材料的面積，ti為單層板厚度.

根據(jù)本優(yōu)化的目標(biāo)，建立約束條件，

ZNt≤ZNt0ZNc≥ZNc0XNx≤XNx0YNy≤YNy0Tθ=45°≤Tθ=-45°0.3≤ti≤0.3Tθ=0°，Tθ=90°，Tθ=±45°≤0.1T? ? ? ?（3）

式中：ZNt為在拉伸工況下加載點(diǎn)z向的位移;ZNc為在壓縮工況下加載點(diǎn)的z向位移;XNx是側(cè)向彎曲工況下加載點(diǎn)x向的位移;YNy是在后向彎曲工況下，加載點(diǎn)y向的位移;T為鋪層厚度;ti為單層板厚度.

以表4中原鋼制加強(qiáng)板四個(gè)工況剛度計(jì)算結(jié)果作為約束條件，式（3）中ZNt0取1.430，ZNc0取-1.430，ZNx0取7.163，ZNy0取9.738，尺寸優(yōu)化后體積逐漸減小，直至收斂，如圖2所示.四個(gè)工況的加載點(diǎn)的位移減小，相對于原鋼制B柱來講，剛度增加，如圖3所示.

3.2? ?尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化是在經(jīng)自由尺寸優(yōu)化后得到了每個(gè)超級層的厚度以及鋪層裁剪形狀的基礎(chǔ)上，將每一超級層由j個(gè)小層進(jìn)行表示[16]，簡化重建有限元模型，并確定每一小層的厚度的具體數(shù)值tij的優(yōu)化

過程.

優(yōu)化變量：

t = （t11，t12…t1j…tij…t41，t42…t4j）T? ? ? ? ? ? （4）

式中：tij為第i超級層第j小層的厚度，本優(yōu)化將每一超級層由四個(gè)小層進(jìn)行表示，故j取4;共簡化為16個(gè)小層的鋪層.

優(yōu)化目標(biāo)：

min（m） = ρtij? ? ? ? ? ? ?（5）

式中：ρ代表材料密度;si為每個(gè)小層的面積;tij為每個(gè)小層的厚度.

根據(jù)約束類型建立尺寸優(yōu)化的約束條件為：

ωNt≤ωNt0ωNc≤ωNc0ωNx≤ωNx0ωNy≤ωNy0? ? ? ?（6）

式中：ωNt是拉伸壓縮工況下的應(yīng)力;ωNc是側(cè)向彎曲工況下的應(yīng)力;ωNx是后向彎曲工況下的應(yīng)力.將原鋼制加強(qiáng)板四個(gè)工況應(yīng)力計(jì)算結(jié)果作為約束條件，式（6）中ωNt0取68.68，ωNc0取68.68，ωNx0取343.1，ωNy0取120.4，16種形狀鋪層塊的具體厚度如圖4.

3.3? ?鋪層角度次序優(yōu)化

由于碳纖維復(fù)合材料為各向異性，鋪層角度次序影響材料整體性能.通過優(yōu)化復(fù)合材料層合板的鋪層角度次序來提升B柱加強(qiáng)板的性能.

優(yōu)化變量：θ = （θ1，θ2，θ3，…，θk）T? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （7）

式中：θk是B柱加強(qiáng)板尺寸優(yōu)化后的第k層纖維的鋪層角度，經(jīng)尺寸優(yōu)化后單元最大尺寸是4.5 mm，故k取15.

優(yōu)化目標(biāo)：min（W） = wi ci? ? ? ? ? ? ?（8）

式中：W是結(jié)構(gòu)的柔度;wi 為加權(quán)的權(quán)重;ci是每一部分的柔度，即目標(biāo)為結(jié)構(gòu)剛度最大.

本B柱加強(qiáng)板按照圖5所示優(yōu)化出的鋪層角度次序使結(jié)構(gòu)的剛度最大.

3.4? ?剛度結(jié)果對比

原車金屬B柱總成的剛度分析結(jié)果、碳纖維復(fù)合材料初始鋪層的B柱總成剛度分析結(jié)果與采用先進(jìn)復(fù)合材料優(yōu)化方法優(yōu)化后的碳纖維復(fù)合材料的B柱總成剛度的求解計(jì)算結(jié)果對比見表4.

由對比結(jié)果可知：采用碳纖維復(fù)合材料[0/45/90/-45/0/45/0/-45]S的16層鋪層的碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的剛度較原鋼制B柱加強(qiáng)板的軸向剛度提升4.2%，后向剛度提升7.2%，側(cè)向彎曲性能

提升9.1%，減重73.6%.優(yōu)化后15層鋪層的碳纖維復(fù)合材料相對優(yōu)化前總體剛度略小，較金屬軸向剛度提升0.2%，側(cè)向彎曲性能提升6.2%，后向剛度提升5.1%，其對各個(gè)鋪層形狀進(jìn)行裁剪以及減薄了一層為0.3 mm的纖維，使減重達(dá)1.376 kg，減重比為76.4%.以上結(jié)果說明經(jīng)過優(yōu)化后的B柱總成，強(qiáng)度、剛度既不存在過剩的問題，也不存在不足的問題，材料得到了充分的利用，結(jié)構(gòu)性能得到充分發(fā)揮，優(yōu)化結(jié)果比較理想.

4? ?三點(diǎn)彎曲驗(yàn)證

4.1? ?邊界條件

本文對碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的總成進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲分析，使用的軟件為LS-DYNA.模型裝配圖及邊界約束方式如圖6所示.剛性圓柱直徑為165 mm，位置固定于兩支點(diǎn)z軸坐標(biāo)中點(diǎn)B柱外表面上邊緣，B柱下端約束1、2、3、5、6五個(gè)自由度，x軸方向上可以自由轉(zhuǎn)動，上端約束1、2、5、6四個(gè)自由度即B柱端頭能沿z軸自由滑動和繞x軸自由轉(zhuǎn)動.對剛性圓柱在沿y軸方向勻速地施加80 mm的強(qiáng)制位移.

采用真空導(dǎo)入成型工藝對B柱加強(qiáng)板進(jìn)行制備，然后將加強(qiáng)板與外板通過結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行膠粘連接.按照仿真模型的邊界條件對碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的樣件進(jìn)行三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，試驗(yàn)使用WANCEWANCE型液壓伺服萬能試驗(yàn)機(jī).如圖7所示，為保證試驗(yàn)過程為準(zhǔn)靜態(tài)過程，壓頭的下壓速度為4 mm/min，試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，相同條件下，進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn).

4.2? ?結(jié)果對比

圖8為三點(diǎn)彎曲過程中剛性柱與B柱之間的Y向接觸力曲線對比.金屬B柱加強(qiáng)板三點(diǎn)彎曲仿真試驗(yàn)的最大接觸力在鋼柱下壓距離D為45 mm時(shí)，F(xiàn)NS為34 175 N;碳纖維復(fù)合材料B柱總成三

點(diǎn)彎曲仿真試驗(yàn)，D為60 mm，最大接觸力FNC為

34 744 N. 碳纖維復(fù)合材料樣件三次試驗(yàn)的最大接觸力FNT均值為33 397 N.

由仿真試驗(yàn)結(jié)果可知，碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板總成與壓頭鋼柱的接觸力大于金屬B柱加強(qiáng)板總成，即碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的強(qiáng)度高于原鋼制材料.由圖9仿真與試驗(yàn)的接觸力結(jié)果對比可知，碳纖維復(fù)合材料樣件試驗(yàn)接觸力結(jié)果較仿真結(jié)果減小3.9%，接觸力變化趨勢與仿真一致. 由表5中B柱總成的最大變形情況對比可知，樣件試驗(yàn)中，B柱總成平均變形量為83.42 mm，最大變形處在金屬剛柱下壓也就是B柱中間的位置，如圖10所示，與仿真一致. 在工藝和誤差的允許范圍內(nèi)，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是一致的，驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的三點(diǎn)彎曲性能.

5? ?整車側(cè)碰仿真分析

5.1? ?模型建立

使用LS-DYNA進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真驗(yàn)證.在對裝有碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的整車進(jìn)行側(cè)面碰撞仿真分析驗(yàn)證時(shí)，將金屬B柱加強(qiáng)板的材料替換為碳纖維復(fù)合材料，加強(qiáng)板與外板采用膠接的連接方式，同時(shí)保持B柱與其相鄰零部件的連接關(guān)系與原車模型一致[17].按照2018版C-NCAP對側(cè)面碰撞的規(guī)定調(diào)整有限元模型[18]，更新側(cè)面碰撞壁障，保證接觸關(guān)系正確.本模型賦予50 km/h的初始速度，計(jì)算時(shí)間為0.15 s.圖11為不同應(yīng)變速率下碳纖維應(yīng)力-應(yīng)變曲線，圖12為試樣圖. 圖13為碰撞過程中的能量曲線，主要由動能、內(nèi)能和沙漏能組成.可以看出，碰撞過程中能量守恒.

圖14為仿真試驗(yàn)測得的碳纖維復(fù)合材料B柱（a）與金屬B柱（b）側(cè)面碰撞時(shí)的最大變形情況. 從總體的車輛變形來講，帶有碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞最大位移為1 260 mm，而原車金屬B柱加強(qiáng)板的最大位移為1 284 mm，從整車破壞和變形情況考慮，帶有碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞效果要好于金屬B柱加強(qiáng)板的整車碰撞效果.

5.2? ?整車側(cè)碰結(jié)果對比

圖15分別為仿真測得的金屬及帶有碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)板B柱總成底部（a）和中部（b）的位移曲線. 由曲線對比可知，無論是底部還是中部，對于B柱的動態(tài)位移來講，帶有碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞位移量與金屬B柱加強(qiáng)板的大小基本相同，在B柱底部位置，碳纖維復(fù)合材料的位移更小.

圖16分別為仿真測得的金屬及帶有碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)板B柱總成底部（a）和中部（b）動態(tài)侵入速度曲線.由數(shù)據(jù)對比可知，無論是底部還是中部，對于B柱的動態(tài)侵入速度來講，帶有碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞速度與金屬B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞的速度相差不大，而且在中部的速度變化趨勢要更趨于平緩.從圖17動態(tài)加速度曲線可以看出，金屬與CFRP的加速度曲線吻合較好，在B柱底部位置上，復(fù)合材料比金屬的動態(tài)加速度小，中間位置加速度基本一致.

B柱上對應(yīng)假人位置參考點(diǎn)示意圖如圖18所示，表6為B柱內(nèi)板上對應(yīng)假人的頭部、上肋、中肋、下肋、腹部、骨盆位置點(diǎn)的動態(tài)最大侵入量和最大侵入速度的對比[19]. 由對比結(jié)果可以分析，碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)板方案B柱總成上假人對應(yīng)的最大侵入量總體比原金屬方案小，碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板方案最大侵入速度在B柱上各個(gè)參考點(diǎn)的侵入速度均有下降，其中最大侵入速度趨于均值有利于對假人的保護(hù)，故使用碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板，更利于對車內(nèi)乘員的保護(hù).

6? ?結(jié)? ?論

1）對碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、鋪層角度次序優(yōu)化，對比金屬與優(yōu)化前后碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)板的總成剛度.用先進(jìn)復(fù)合材料優(yōu)化方法優(yōu)化后的B柱加強(qiáng)板在保證剛度的前提下，結(jié)構(gòu)減重達(dá)76.4%.

2）對碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板及其總成進(jìn)

行彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證，與金屬B柱總成相比，強(qiáng)度增加1.7%.在破壞變形方面，碳纖維復(fù)合材料B柱總成變形減小12.8%.

3）建立與2018版C-NCAP對應(yīng)的側(cè)面碰撞有限元模型，從變形、侵入速度、侵入加速度、測量點(diǎn)動態(tài)侵入量、動態(tài)侵入速度等方面，對比碳纖維復(fù)合材料與金屬材料B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞的結(jié)果，可知碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板對乘員保護(hù)效果更好.

參考文獻(xiàn)

[1]? ? 馬芳武，陳實(shí)現(xiàn)，趙花壘，等. 強(qiáng)度、剛度與模態(tài)約束下的FSC賽車車架輕量化[J]. 湖南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，45（4）：18—25.

MA F W，CHEN S X，ZHAO H L，et al. Lightweight on frame of FSC with constraints of strength，stiffness and modal[J]. Journal of Hunan University （Natural Sciences），2018，45（4）：18—25. （In Chinese）

[2]? ? 郭永奇，黃小征，王帥，等. 基于等剛度原理的碳纖維發(fā)動機(jī)罩開發(fā)[J]. 汽車實(shí)用技術(shù)，2017（19）：100—103.

GUO Y Q，HUANG X Z，WANG S，et al. Development of carbon fiber engine hood based on the equal stiffness principle[J]. Automobile Applied Technology，2017（19）：100—103. （In Chinese）

[3]? ? 王慶，盧家海，劉釗，等. 碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車保險(xiǎn)杠的輕量化設(shè)計(jì)[J]. 上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，51（2）：136—141.

WANG Q，LU J H， LIU Z，et al. A lightweight design of carbon fiber reinforced plastic auto bumper[J]. Journal of Shanghai Jiaotong University，2017，51（2）：136—141. （In Chinese）

[4]? ? BOTKIN M E. Modeling and optimal design of a carbon fiber reinforced composite automotive roof[J]. Engineering with Computers，2000，16（1）：16—23.

[5]? ? YOO S H，DOH J，LIM J，et al. Topologically optimized shape of CFRP front lower control ARM[J]. International Journal of Automotive Technology，2017，18（4）：625—630.

[6]? ? KIM D H，JUNG K H，KIM D J. Improving pedestrian safety via the optimization of composite hood structures for automobiles based on the equivalent static load method[J]. Composite Structures，2017，176：780—789.

[7]? ? KIM D H，KIM H G，KIM H S. Design optimization and manufacture of hybrid glass/carbon fiber reinforced composite bumper beam for automobile vehicle[J]. Composite Structures，2015，131：742—752.

[8]? ? 李勇俊，雷飛，劉啟明，等. 考慮結(jié)構(gòu)、材料和工藝要求的復(fù)合材料B柱優(yōu)化[J]. 汽車工程，2017，39（8）：968—976.

LI Y J，LEI F，LIU Q M，et al. Optimization of composite B-pillar with considerations of structures，materials and processes requirements[J]. Automotive Engineering，2017，39（8）：968—976. （In Chinese）

[9]? ? 趙運(yùn)運(yùn)，李亨，李明，等. 汽車B柱高強(qiáng)度鋼熱沖壓工藝[J]. 鍛壓技術(shù)，2017，42（2）：66—71.

ZHAO Y Y，LI H，LI M，et al. Hot stamping process of high-strength-steel for automotive B-pillar[J]. Forging & Stamping Technology，2017，42（2）：66—71. （In Chinese）

[10]? LIU Q M，LI Y，CAO L，et al. Structural design and global sensitivity analysis of the composite B-pillar with ply drop-off[J]. Structural & Multidisciplinary Optimization，2018，57（3）：965—975.

[11]? ASTM D3410 Standard test method for compressive properties of polymer matrix composite materials[S]. ASTM International，2009.

[12] ASTM D3039 Standard test method for tensile properties of polymer matrix composite materials[S]. ASTM International，2014.

[13]? ASTM D3518 Standard test method for in-plane shear response of polymer matrix composite materials by tensile test of a ±45° laminate[S]. ASTM International，2013.

[14] WANG T，LI Y. Design and analysis of automotive carbon fiber composite bumper beam based on finite element analysis[J]. Advances in Mechanical Engineering，2015，7（6）：222—223.

[15]? 洪清泉. OptiStruct & HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013：33—98.

HOMH Q Q. Theoretical foundation and engineering application of OptiStruct & HyperStudy[M]. Beijing： Machinery Industry Press，2013：33—98. （In Chinese）

[16]? ABHISHEK K，DATTA S，MAHAPATRA S S. Multi-objective optimization in drilling of CFRP （polyester） composites： Application of a fuzzy embedded harmony search （HS） algorithm[J]. Measurement，2016，77：222—239.

[17]? YU H J，ZHU Z Y. Research on carbon fiber-reinforced plastic bumper beam subjected to low-velocity frontal impact[J]. Advances in Mechanical Engineering，2015，7（6）：40—52.

[18]? 王月，肖海濤，張海洋，等. 2018版C-NCAP側(cè)面碰撞分析[J]. 汽車工程師，2017（1）：41—46.

WANG Y， XIAO H T，ZHANG H Y，et al. Study on side impact of 2018 version C-NCAP[J]. Automotive Engineer，2017（1）：41—46. （In Chinese）

[19]? 張芳芳. 基于B柱的汽車側(cè)面碰撞特性及乘員保護(hù)措施的研究[D]. 武漢： 武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，2013.

ZHANG F F. Study on crashworthiness and occupant protection measures of vehicle side impact based on B-pillar[D]. Wuhan： School of Automotive Engineering，Wuhan University of Technology，2013. （In Chinese）