碳纖維復(fù)合材料車(chē)用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真研究綜述

高豐嶺 王雪穎 戰(zhàn)楠 卜曉兵

摘要：汽車(chē)輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的重要舉措，已成為國(guó)內(nèi)外汽車(chē)工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。碳纖維復(fù)合材料在車(chē)身上的系統(tǒng)應(yīng)用引領(lǐng)了汽車(chē)行業(yè)，尤其是新能源汽車(chē)的輕量化進(jìn)程。本文對(duì)國(guó)內(nèi)外碳纖維復(fù)合材料車(chē)身及零部件的研究成果進(jìn)行回顧與總結(jié)，從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真兩個(gè)方面對(duì)目前的研究成果進(jìn)行了綜述，并分析存在的問(wèn)題和進(jìn)一步深入研究的方向。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;車(chē)身;結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì);性能仿真;輕量化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463.83+1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1005-2550（2020）02-0074-07

高豐嶺

畢業(yè)于北京理工大學(xué)，工學(xué)博士，現(xiàn)就職于中汽研汽車(chē)檢驗(yàn)中心（天津）有限公司，任碰撞部工程師，主要從事車(chē)身多學(xué)科優(yōu)化、汽車(chē)輕量化技術(shù)工作，已發(fā)表論文數(shù)篇。

引言

汽車(chē)輕量化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)節(jié)能減排的重要舉措，是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。為推動(dòng)汽車(chē)實(shí)現(xiàn)輕量化，各國(guó)政府或組織制定了一系列相關(guān)政策，并啟動(dòng)了相關(guān)研究計(jì)劃項(xiàng)目，取得了豐富的科技成果，有力的推動(dòng)了汽車(chē)輕量化進(jìn)程。由于新型動(dòng)力源的比能量低于汽油及柴油燃料，目前新能源汽車(chē)在與傳統(tǒng)汽車(chē)同等排放量的單位能耗（能耗/100km）下，不能像傳統(tǒng)汽車(chē)那樣靠一次補(bǔ)充能量來(lái)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的行駛。輕量化技術(shù)可以在保證新能源汽車(chē)的剛度、強(qiáng)度、安全性、可靠性、舒適性不降低以及在整車(chē)成本可控的前提下，通過(guò)減輕自重提高有效載質(zhì)量來(lái)彌補(bǔ)目前新型動(dòng)力源比能量不足的缺陷，達(dá)到延長(zhǎng)汽車(chē)?yán)m(xù)駛里程的目的。汽車(chē)車(chē)身的質(zhì)量約占整車(chē)自重的2/3，因此針對(duì)新能源汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)對(duì)突破節(jié)能增程技術(shù)瓶頸，推動(dòng)新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)化意義重大。

隨著各國(guó)電動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，電動(dòng)化與輕量化的結(jié)合已成為世界汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。由于金屬材料的車(chē)身結(jié)構(gòu)減重空間有限，而碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有輕質(zhì)高強(qiáng)、設(shè)計(jì)自由度大、耐銹蝕、成型工藝性好等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)汽車(chē)上的應(yīng)用潛力巨大。因此，寶馬汽車(chē)通過(guò)與三菱麗陽(yáng)、西格里合作，開(kāi)發(fā)出i3與i8車(chē)型產(chǎn)品H，推出模塊化設(shè)計(jì)的CFRP乘員艙與鋁合金底盤(pán)的全新車(chē)身架構(gòu)，引領(lǐng)了國(guó)際電動(dòng)汽車(chē)行業(yè)的輕量化進(jìn)程。

近年來(lái)，在寶馬公司的啟發(fā)下，國(guó)內(nèi)外各大汽車(chē)廠商及研究機(jī)構(gòu)已紛紛對(duì)CFRP在電動(dòng)汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用開(kāi)展研究。從目前已有的研究成果來(lái)看，國(guó)外在批量化生產(chǎn)CFRP車(chē)身電動(dòng)汽車(chē)整車(chē)產(chǎn)品方面取得了一定突破，但離預(yù)期目標(biāo)尚有不小差距;而國(guó)內(nèi)高校、研究機(jī)構(gòu)、車(chē)企的研究成果主要集中在板簧、傳動(dòng)軸、外覆蓋件等零部件，對(duì)汽車(chē)輕量化技術(shù)的主要研究對(duì)象一車(chē)身結(jié)構(gòu)件、子總成以及整車(chē)結(jié)構(gòu)的深入研究較少，批量化生產(chǎn)更是任重道遠(yuǎn)。究其原因，除了產(chǎn)業(yè)鏈中包括成型技術(shù)等其他技術(shù)尚不完善外，從汽車(chē)產(chǎn)品正向開(kāi)發(fā)角度來(lái)講，目前國(guó)內(nèi)外尚缺失系統(tǒng)的CFRP車(chē)身及零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真技術(shù)儲(chǔ)備。鑒于此，本文從上述兩個(gè)方面簡(jiǎn)要介紹國(guó)內(nèi)外的研究成果，提出存在的問(wèn)題并分析進(jìn)一步研究的方向。 1CFRP車(chē)身及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CFRP具有各向異性的力學(xué)特性，其制品具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間大的特點(diǎn)，材料一結(jié)構(gòu)一性能一體化設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)的根本方法。

1.1 CFRP車(chē)身及零部件的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前的CFRP車(chē)身零部件多沿用原金屬材料零部件的結(jié)構(gòu)形式，這樣的設(shè)計(jì)難以發(fā)揮CFRP各向異性力學(xué)特性的特點(diǎn)，存在設(shè)計(jì)保守、材料浪費(fèi)、結(jié)構(gòu)冗余等弊端。例如，Kang等人針對(duì)熱固性樹(shù)脂基CFRP的大客車(chē)翻滾保護(hù)桿進(jìn)行研究，通過(guò)側(cè)翻仿真分析發(fā)現(xiàn)在滿(mǎn)足車(chē)身剛、強(qiáng)度的條件下，采用了新材料后大客車(chē)的質(zhì)心位置下降，整車(chē)質(zhì)量及側(cè)翻彎曲慣量降低，提高了大客車(chē)的動(dòng)力性及燃油經(jīng)濟(jì)性。為了在滿(mǎn)足輕量化要求的同時(shí)增加車(chē)頂?shù)膭偠龋诔擞密?chē)薄鋼板車(chē)頂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，Bambach采用CFRP作為增強(qiáng)相，通過(guò)車(chē)頂?shù)臏?zhǔn)靜態(tài)壓潰仿真與實(shí)驗(yàn)分析，驗(yàn)證了車(chē)頂剛度強(qiáng)化與整車(chē)減重的效果。Kim等人。設(shè)計(jì)并制造了熱塑性樹(shù)脂基混雜纖維復(fù)合材料汽車(chē)保險(xiǎn)杠橫梁結(jié)構(gòu)，研究發(fā)現(xiàn)在提高碰撞性能的同時(shí)該保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)與原金屬結(jié)構(gòu)相比減重33%。此外，已有國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)新型CFRP車(chē)身零部件展開(kāi)研究，但僅限部分車(chē)型的少量應(yīng)用，沒(méi)能形成完善的零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法體系。例如，Ingrassia等人鏈擇用混雜纖維復(fù)合材料代替金屬材料重新設(shè)計(jì)重型貨車(chē)的拖車(chē)車(chē)架，采用新材料的同時(shí)改變了原車(chē)架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)（如圖1所示），在保證基本力學(xué)性能的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了車(chē)架減重30%的目標(biāo)。

為了增加某款敞篷跑車(chē)的扭轉(zhuǎn)剛度，F(xiàn)eraboli等人設(shè)計(jì)了CFRP副車(chē)架，改進(jìn)后的設(shè)計(jì)使得敞篷跑車(chē)的扭轉(zhuǎn)剛度達(dá)到了原車(chē)型的級(jí)別。與車(chē)身零部件的設(shè)計(jì)類(lèi)似，CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作同樣存在著上述問(wèn)題。Feraboli等人對(duì)CFRP在某款高端跑車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)的應(yīng)用進(jìn)行了介紹（如圖2所示），但沒(méi)有對(duì)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖3所示，Liu等人設(shè)計(jì)了一個(gè)具有碳纖維斜紋織物復(fù)合材料空間框架結(jié)構(gòu)模塊的純電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了頂部壓潰仿真分析，但車(chē)身復(fù)合材料空間框架結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)同樣未見(jiàn)報(bào)道。

由此可見(jiàn)，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者在進(jìn)行CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的設(shè)計(jì)時(shí)，其結(jié)構(gòu)基本沿用原金屬材料零部件的結(jié)構(gòu)形式，沒(méi)有針對(duì)復(fù)合材料各項(xiàng)異性力學(xué)特性的特點(diǎn)在整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行過(guò)多考慮，還有巨大的設(shè)計(jì)潛力沒(méi)有開(kāi)發(fā)，產(chǎn)品性能可以進(jìn)一步提高，質(zhì)量可以進(jìn)一步降低。而新結(jié)構(gòu)形式的CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)基本采用的是探索式的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)效率低下，耗工耗時(shí)，成本增加?？偠灾?，在進(jìn)行CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合材料各向異性的力學(xué)特性開(kāi)發(fā)出適用的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法。

在諸多結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，是一種根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，在給定的區(qū)域內(nèi)對(duì)材料分布進(jìn)行優(yōu)化的數(shù)學(xué)方法。傳統(tǒng)的拓?fù)鋬?yōu)化面向的是各項(xiàng)同性材料，作為最高層次的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，在汽車(chē)領(lǐng)域，拓?fù)鋬?yōu)化已貫穿到“車(chē)身結(jié)構(gòu)一子總成一零部件”的整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程當(dāng)中。如果將連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化拓展到面向復(fù)雜工況的各向異性材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，是實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件低成本高效率整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有力保證。

1.2CFRP的優(yōu)化設(shè)計(jì)

CFRP多采用鋪層方式將不同類(lèi)型的纖維織物疊放在一起固化成型，因此材料本身即為一種結(jié)構(gòu)形式，在整體結(jié)構(gòu)拓?fù)湫问酱_定的條件下，鋪層材料的種類(lèi)、鋪層角度、鋪層順序、鋪層厚度以及鋪層數(shù)量等因素直接決定了復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能，進(jìn)而決定了結(jié)構(gòu)的整體性能。因此，在進(jìn)行CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，復(fù)合材料本身的設(shè)計(jì)是必不可少的環(huán)節(jié)。國(guó)內(nèi)外的諸多學(xué)者針對(duì)此方面問(wèn)題進(jìn)行了大量的研究，例如，Kim等人基于遺傳算法研究了單向連續(xù)CFRP的鋪層順序?qū)τ趶?fù)合材料汽車(chē)懸架控制臂靜剛度、強(qiáng)度的影響。與之類(lèi)似，Zhu等人同樣基于遺傳算法探討了鋪層順序?qū)τ贑FRP傳動(dòng)軸臨界屈曲載荷的影響。通過(guò)采取實(shí)驗(yàn)、仿真、響應(yīng)面與NSGA-II算法相結(jié)合的研究方法，Duan等人開(kāi)展了不同的鋪層厚度對(duì)于CFRP波紋板在碰撞工況下比吸能量與最大碰撞力的影響的研究。在上述面向性能要求的CFRP優(yōu)化設(shè)計(jì)研究工作中，都僅將某一個(gè)或某幾個(gè)影響因素作為研究對(duì)象，沒(méi)能通過(guò)有效的方法將全部的影響因素涵蓋在內(nèi)，形成多變量、多目標(biāo)、多約束的設(shè)計(jì)方法，這是遲遲不能建立系統(tǒng)的車(chē)用cFRP結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的重要原因。

影響CFRP性能的因素繁多，如在一次優(yōu)化設(shè)計(jì)工作中將上述因素作為設(shè)計(jì)變量同時(shí)考慮進(jìn)去，會(huì)極大的增加優(yōu)化求解的難度，大大降低計(jì)算效率甚至難以收斂。采取分級(jí)式優(yōu)化設(shè)計(jì)策略是一種有效的措施。針對(duì)復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)，F(xiàn)erreira等人基于“離散材料優(yōu)化”（DMO）方法，該方法通過(guò)將每一鋪層的本構(gòu)模型用各候選材料本構(gòu)模型的插值函數(shù)加權(quán)形式來(lái)表示，以各候選鋪層材料的權(quán)值為設(shè)計(jì)變量，通過(guò)迭代計(jì)算最終實(shí)現(xiàn)鋪層材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)對(duì)DMO方法的系統(tǒng)研究，將其拓展到面向CFRP的多種力學(xué)性能設(shè)計(jì)，并將鋪層原則等若干工程經(jīng)驗(yàn)以約束形式耦合在該方法中，可以解決上述問(wèn)題，最終實(shí)現(xiàn)cFRP分級(jí)式優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的完善。

1.3CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的材料一結(jié)構(gòu)一性能一體化設(shè)計(jì)

單純的整體結(jié)構(gòu)層面上（宏觀）的設(shè)計(jì)與復(fù)合材料層面上（細(xì)觀）的設(shè)計(jì)都無(wú)法實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的最優(yōu)設(shè)計(jì)，必須在二者之間建立一座橋梁，實(shí)現(xiàn)多尺度下車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件的材料一結(jié)構(gòu)一性能一體化設(shè)計(jì)。國(guó)內(nèi)外已有諸多學(xué)者對(duì)“實(shí)體相一空相”兩相材料構(gòu)成的復(fù)合材料的材料一結(jié)構(gòu)一性能一體化設(shè)計(jì)開(kāi)展了大量的研究工作，其基本思想是通過(guò)構(gòu)建雙層架構(gòu)多尺度（宏觀結(jié)構(gòu)與細(xì)觀代表性體積單元（單胞））的拓?fù)鋬?yōu)化方法重復(fù)循環(huán)迭代來(lái)實(shí)現(xiàn)一體化設(shè)計(jì)。借鑒此研究思路，建立面向復(fù)雜鋪層形式的CFRP結(jié)構(gòu)與材料設(shè)計(jì)的雙層架構(gòu)多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，并通過(guò)軟件的二次開(kāi)發(fā)將該方法集成到有限元分析軟件中，是實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件設(shè)計(jì)的重要技術(shù)保障。

2CFRP車(chē)身及零部件的性能仿真

CFRP的多尺度效應(yīng)、基體的非線性力學(xué)特性、材料的應(yīng)變率相關(guān)的力學(xué)響應(yīng)特點(diǎn)、材料復(fù)雜的強(qiáng)度理論與失效機(jī)理，結(jié)合車(chē)用工況的復(fù)雜性，使得而向CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件力學(xué)性能分析的計(jì)算機(jī)仿真工作困難重重。

2.1CFRP車(chē)身及零部件基本力學(xué)性能仿真分析

進(jìn)行車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件基本力學(xué)性能仿真分析（剛、強(qiáng)度，模態(tài)分析）的基礎(chǔ)是要獲得材料的本構(gòu)模型。而車(chē)用CFRP的種類(lèi)眾多，包括：?jiǎn)蜗蜻B續(xù)碳纖維層合復(fù)合材料，2D編織、2.5D編織、3D編織碳纖維及混雜纖維復(fù)合材料，碳纖維及混雜纖維中空織物及其填充結(jié)構(gòu)，夾芯碳纖維復(fù)合材料及結(jié)構(gòu)等。同時(shí)，影響材料性能的參數(shù)也眾多（不考慮工藝力學(xué)因素，單純從材料本身性能來(lái)講），包括：纖維與基體的牌號(hào)、纖維的編織方式及纖維的混雜方式等，如果只采取試驗(yàn)的方法測(cè)得復(fù)合材料的本構(gòu)模型將是一項(xiàng)耗時(shí)耗工的大工程。Lu等人通過(guò)定義材料細(xì)觀尺度上的代表性體積單元（“胞元”，如圖4所示），并對(duì)其進(jìn)行有限元建模仿真分析，獲取了CFRP的宏觀本構(gòu)模型。此種方法盡管有效，但其是針對(duì)某種CFRP“胞元”形式進(jìn)行具體的建模分析，幾何及有限元建模的工作量很大，如果開(kāi)展參數(shù)化的建模方法將實(shí)現(xiàn)一類(lèi)CFRP的統(tǒng)一建模，具有重要的科研及工程意義，是亟待解決的問(wèn)題。

2.2CFRP車(chē)身NVH及耐久性仿真分析

進(jìn)行車(chē)身NVH特性仿真分析時(shí)材料的阻尼特性是需要考慮的關(guān)鍵材料參數(shù)之一。如何開(kāi)展高效的CFRP阻尼特性的試驗(yàn)研究是材料領(lǐng)域非常關(guān)心的問(wèn)題?；谟邢拊岸囿w動(dòng)力學(xué)軟件建立整車(chē)的剛彈耦合模型及車(chē)室聲固耦合有限元模型，是進(jìn)行汽車(chē)NVH特性計(jì)算機(jī)仿真分析的基礎(chǔ)。由于電動(dòng)汽車(chē)噪聲源振聲能量產(chǎn)生機(jī)理與傳統(tǒng)燃油汽車(chē)有所不同，CFRP又存在較為復(fù)雜的聲振特性，給傳統(tǒng)的NVH分析方法帶來(lái)了挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)金屬車(chē)身結(jié)構(gòu)的螺栓連接及點(diǎn)焊連接處處于應(yīng)力集中狀態(tài)，是車(chē)身耐久性設(shè)計(jì)與分析重點(diǎn)考察的對(duì)象。CFRP具有比金屬材料更為優(yōu)越的抗疲勞特性，因此復(fù)合材料車(chē)身零部件之間連接處的可靠性與耐久性問(wèn)題就顯得更為突出。荊楠指出CFRP車(chē)身零部件之間的連接形式多為粘接、機(jī)械連接（鉚接、螺栓連接等）及混合連接，范喜龍等人分析復(fù)合材料的類(lèi)型、粘接部位的表面處理、表面積、膠的厚度、打孔的位置、孔的數(shù)量、打孔的方法等因素對(duì)于連接強(qiáng)度及失效機(jī)理有重要影響。然而面向復(fù)雜工況的車(chē)用CFRP零部件連接強(qiáng)度及失效機(jī)理的研究還鮮見(jiàn)報(bào)道。另外，Deng、Li及段元欣等人分別對(duì)預(yù)緊力齒、榫卯連接與干涉配合等新型復(fù)合材料連接形式的特征進(jìn)行探究，但其如何在車(chē)身結(jié)構(gòu)中的有效應(yīng)用還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

2.3CFRP車(chē)身及零部件耐撞性仿真分析

Liu及Barnes等人在研究中指出CFRP車(chē)身耐撞性仿真分析需要采取“積木式”的方法，進(jìn)行“材料（結(jié)構(gòu)元件）一零部件一子總成一全尺寸車(chē)身”4個(gè)層次（參見(jiàn)圖5）的漸進(jìn)式研究，

不同類(lèi)型的CFRP表現(xiàn)出不同的應(yīng)變率相關(guān)的力學(xué)性質(zhì)，總體來(lái)說(shuō)，在大應(yīng)變率沖擊載荷作用下材料表現(xiàn)出復(fù)雜的失效與吸能機(jī)理（碎裂、分層、纖維拔出、局部屈曲等），其車(chē)身結(jié)構(gòu)有限元模型遠(yuǎn)比金屬材料車(chē)身復(fù)雜，因此目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者僅針對(duì)材料層面以及零部件層面的低速碰撞上況開(kāi)展了較為全面的研究，而CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)件、子總成及整車(chē)結(jié)構(gòu)的中、高速碰撞仿真分析還未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

2.3.1CFRP的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型

通過(guò)對(duì)一定應(yīng)變率范圍內(nèi)的復(fù)合材料樣件進(jìn)行壓縮實(shí)驗(yàn)，是建立CFRP動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的基本方法。Meunier及Park等人分別基于高階剪切變形理論與多尺度方法對(duì)應(yīng)變率與動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型的關(guān)系進(jìn)行表征，但是都沒(méi)能將統(tǒng)計(jì)學(xué)特性有效的涵蓋進(jìn)去，這是亟需解決的科學(xué)問(wèn)題。

2.3.2大應(yīng)變率沖擊載荷下CFRP的強(qiáng)度理論及失效機(jī)理

目前，國(guó)內(nèi)外已建立十幾種復(fù)合材料宏、細(xì)觀強(qiáng)度理論模型，其中比較具有代表性的有強(qiáng)度相互影響破壞理論（宏觀，Tsai，Hashin）、統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)破壞理論（宏觀，Uemura）、三維唯象理論（宏觀，Puck）、最大應(yīng)力破壞理論（宏觀，Zinoviev）和橋聯(lián)細(xì)觀力學(xué)理論（細(xì)觀，Huang）。黃爭(zhēng)鳴等人總結(jié)發(fā)現(xiàn)，在目前的碰撞仿真分析中，采用的基于上述強(qiáng)度理論建立的材料損傷模型包括：漸進(jìn)損傷模型、連續(xù)損傷模、多尺度模型及唯象學(xué)模型等。事實(shí)上，由現(xiàn)存強(qiáng)度理論建立起來(lái)的材料損傷模型在碰撞仿真分析中存在以下突出問(wèn)題：（1）沒(méi)有辦法預(yù)測(cè)碰撞前沿后部支撐結(jié)構(gòu)的失效;（2）碰撞中大壓縮應(yīng)變出現(xiàn)時(shí)計(jì)算模型容易出錯(cuò);（3）針對(duì)一種復(fù)合材料建立的強(qiáng)度理論及材料失效模型，難以拓展到其他種類(lèi)的復(fù)合材料中。因此，突破大應(yīng)變率沖擊載荷下CFRP的強(qiáng)度理論及材料損傷模型等科學(xué)問(wèn)題，是實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件耐撞性仿真分析的關(guān)鍵。

2.3.3有限元模型的建立與計(jì)算方法

Johnson等人指出，當(dāng)前在碰撞仿真的研究中多采用殼單元、多層殼單元及多層固體單元等有限元建模方式。殼單元在碰撞分析中不能模擬碰撞前沿的物理機(jī)制;多層殼單元之間的裂紋傳播模擬容易失真;多層固體單元具有仿真碰撞界面物理現(xiàn)象的潛力，然而需要一些經(jīng)驗(yàn)參數(shù)。仿真過(guò)程中積分點(diǎn)的定義、算法的選擇對(duì)計(jì)算精度、效率有著直接的影響。碰撞分析中粘接、機(jī)械連接等連接形式的處理，接觸的定義均對(duì)仿真結(jié)果可靠性有巨大影響。因此需根據(jù)不同的碰撞工況（正碰、側(cè)碰、后碰、柱碰、滾翻等），探索最佳的整車(chē)結(jié)構(gòu)及零部件有限元建模方法，配合高效的顯示積分?jǐn)?shù)值計(jì)算方法，是實(shí)現(xiàn)CFRP整車(chē)結(jié)構(gòu)及零部件耐撞性仿真分析的關(guān)鍵。

3結(jié)論

碳纖維復(fù)合材料（CFRP）在汽車(chē)，尤其是電動(dòng)汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)上的系統(tǒng)應(yīng)用是汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)，而目前國(guó)內(nèi)外尚欠缺完善的相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。本文以CFRP車(chē)身及零部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真作為研究對(duì)象，對(duì)國(guó)內(nèi)外的研究進(jìn)展進(jìn)行了介紹，并對(duì)目前存在的問(wèn)題以及未來(lái)的研究方向進(jìn)行了分析與展望，具體包括：

（1）CFRP具有各向異性的力學(xué)特性，其結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)空間大的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)缺乏CFRP車(chē)身及零部件的有效結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法。通過(guò)對(duì)各向異性材料連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法及復(fù)合材料分級(jí)式優(yōu)化設(shè)計(jì)策略的研究，開(kāi)發(fā)整體結(jié)構(gòu)層面與復(fù)合材料層面的雙層架構(gòu)多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，進(jìn)而建立多組分材料多工況下CFRP結(jié)構(gòu)的材料一結(jié)構(gòu)一性能一體化設(shè)計(jì)方法，是實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件低成本高效率結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要技術(shù)保障。

（2）計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)是實(shí)現(xiàn)CFRP車(chē)身結(jié)構(gòu)及零部件性能評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)，CFRP本身力學(xué)特性的復(fù)雜性造成了目前車(chē)用CFRP結(jié)構(gòu)在基本力學(xué)性能、NVH與耐久性，以及耐撞性仿真分析時(shí)存在精度不高、效率低下等問(wèn)題。通過(guò)對(duì)以下科學(xué)問(wèn)題以及技術(shù)的攻關(guān)有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)用CFRP結(jié)構(gòu)仿真分析技術(shù)的完善：1）基本力學(xué)性能方面一開(kāi)展參數(shù)化的建模方法實(shí)現(xiàn)一類(lèi)CFRP的統(tǒng)一建模;2）NVH方面一明確各類(lèi)CFRP的阻尼特性以及聲振特性，耐久性方面一明確面向復(fù)雜工況的車(chē)用CFRP零部件連接強(qiáng)度及失效機(jī)理，建立各類(lèi)CFRP及其典型結(jié)構(gòu)的疲勞預(yù)測(cè)模型;3）耐撞性方面一建立各類(lèi)CFRP考慮統(tǒng)計(jì)學(xué)特性與多尺度效應(yīng)的動(dòng)態(tài)本構(gòu)模型，突破大應(yīng)變率沖擊載荷下CFRP的強(qiáng)度理論及材料損傷模型，根據(jù)不同的碰撞工況探索最佳的整車(chē)結(jié)構(gòu)及零部件有限元建模及數(shù)值計(jì)算方法。

通過(guò)對(duì)車(chē)用CFRP結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能仿真技術(shù)的深入研究，才能從根本上解決新材料在汽車(chē)車(chē)身上的系統(tǒng)應(yīng)用問(wèn)題，推動(dòng)我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的輕量化進(jìn)程，實(shí)現(xiàn)新能源汽車(chē)的產(chǎn)業(yè)化。