碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車頂蓋的設(shè)計(jì)與性能評(píng)價(jià)

覃炳恒

摘 要：輕質(zhì)非金屬材料在車身和開(kāi)閉件的應(yīng)用，是實(shí)現(xiàn)整車減重和節(jié)能減排的重要技術(shù)手段。本文將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于某車型的頂蓋，首先考慮復(fù)合材料與傳統(tǒng)鈑金材料的區(qū)別，根據(jù)汽車頂蓋特定要求以及實(shí)際生產(chǎn)工藝進(jìn)行頂蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)CAE技術(shù)分別對(duì)碳纖維頂蓋的剛度性能、白車身模態(tài)、抗凹性能進(jìn)行分析，并與傳統(tǒng)鈑金工藝的頂蓋的性能進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果表明，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車頂蓋的質(zhì)量比原始鋼制件減輕了45%，同時(shí)各項(xiàng)性能均滿足工程要求。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料碳纖維;汽車頂蓋;模具設(shè)計(jì)

1 引言

汽車輕量化技術(shù)作為節(jié)能減排的重要技術(shù)手段引起了廣泛的關(guān)注以及研究應(yīng)用。而復(fù)合材料，尤其是碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）作為新型輕量化材料具有密度小，屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都顯著高于金屬材料的優(yōu)點(diǎn)[1]。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在航空航天以及軍工領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，目前也是汽車輕量化材料中最具潛力的新型材料之一[2]。各大主機(jī)廠及研究機(jī)構(gòu)大力展開(kāi)針對(duì)碳纖維復(fù)合材料的汽車零部件設(shè)計(jì)。

本文主要以汽車頂蓋為研究對(duì)象，通過(guò)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料替代傳統(tǒng)金屬材料，設(shè)計(jì)新型碳纖維頂蓋結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)工藝流程，并且進(jìn)行性能仿真驗(yàn)證其安全性能是否滿足要求。

2 碳纖維材料的特點(diǎn)和性能

碳纖維樹(shù)脂基復(fù)合材料（CFRP）是由增強(qiáng)材料碳纖維與樹(shù)脂復(fù)合制成的新型材料，表1為典型的CFRP的主要力學(xué)性能參數(shù)[3]。

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在汽車輕量化設(shè)計(jì)上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。主要表現(xiàn)在：1）密度小、強(qiáng)度高，CFRP在汽車常用材料中比強(qiáng)度和比模量最高。2）韌性好，具有良好的碰撞吸能能力和抗沖擊性。3）阻尼高，抗振性能好，具有良好的減振隔音效果，提高舒適性。4）材料抗疲勞性能優(yōu)異，延長(zhǎng)零部件使用壽命5）耐熱性、抗腐蝕、抗輻射能力極佳;6）成型工藝較多，可設(shè)計(jì)性好，易于實(shí)現(xiàn)零部件一體化設(shè)計(jì)[4-5]。

3 碳纖維復(fù)合材料頂蓋設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)汽車頂蓋具有板材薄、曲面面積大和表面質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。鈑金成形經(jīng)過(guò)多道工序沖壓才能完成，包括拉延、修邊、翻邊和沖孔等。同時(shí)傳統(tǒng)鈑金頂蓋需覆蓋由多種隔音毛氈、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫等組成的汽車頂棚以實(shí)現(xiàn)隔音、隔熱和防撞的需求[6]。

由于復(fù)合材料的特殊性以及相對(duì)于鈑金件制造工藝的差異。本文在碳纖維頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)了區(qū)別于傳統(tǒng)鈑金頂蓋的碳纖維頂蓋工藝方案，以達(dá)到精簡(jiǎn)工藝步驟，減少制造成本的效果。

3.1 碳纖維頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化

3.1.1 頂蓋與前擋玻璃總成匹配截面

如圖1所示，碳纖維頂蓋與前擋玻璃面厚度與本體做成一致，厚度為2.0mm。為消除成型負(fù)角，將前端立面設(shè)計(jì)為Z向5°，前端呈“V”形口。同時(shí)碳纖維頂蓋與頂蓋前橫梁用結(jié)構(gòu)膠連接，避免損害部件。搭接面預(yù)留1mm涂膠間隙。

3.1.2 頂蓋與天窗總成匹配方案

如圖2所示為碳纖維頂蓋與天窗膠條匹配截面，將兩者局部的料厚t設(shè)計(jì)為1.3mm;同時(shí)碳纖維頂蓋與天窗加強(qiáng)框用結(jié)構(gòu)膠連接。

3.1.3 頂蓋與尾門(mén)總成、尾門(mén)密封膠條匹配方案

為消除實(shí)際成型過(guò)程中產(chǎn)生的負(fù)角，頂蓋需分成兩個(gè)部件，使用結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行連接。同時(shí)使用銷、孔做定位，便于實(shí)際生產(chǎn)。

3.2 碳纖維頂蓋工藝方案

碳纖維頂蓋在實(shí)際生產(chǎn)及裝配過(guò)程中與鈑金件頂蓋存在明顯差異。為設(shè)計(jì)的碳纖維頂蓋工藝方案。本文基于實(shí)際項(xiàng)目進(jìn)行產(chǎn)線試生產(chǎn)制造以及實(shí)車裝配，碳纖維頂蓋裝配成單獨(dú)的總成后，與完成涂裝后的白車身，在總裝車間裝配成完整的白車身。實(shí)際結(jié)果表明本工藝方案生產(chǎn)效率較高。

4 性能仿真

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性能與纖維的編制結(jié)構(gòu)以及鋪層方式密切相關(guān)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料CAE仿真分析的難點(diǎn)之一[7]。本文根據(jù)試驗(yàn)所得的材料性能數(shù)據(jù)對(duì)碳纖維頂蓋模型進(jìn)行性能驗(yàn)證分析，分別選取2.0和2.8mm的碳纖維頂蓋模型，并與傳統(tǒng)鈑金頂蓋進(jìn)行對(duì)比。

4.1 剛度性能分析

對(duì)碳纖維頂蓋板厚進(jìn)行剛度性能分析。自由尺寸應(yīng)力分布云圖和分析結(jié)果見(jiàn)圖4和表1。

4.2 白車身模態(tài)分析

對(duì)不同的頂蓋材質(zhì)（鋼、碳纖維）及其板厚進(jìn)行白車身模態(tài)分析。

仿真結(jié)果如表2所示，表明碳纖維頂蓋對(duì)尾門(mén)菱形框模態(tài)下降4.3Hz;彎曲、扭轉(zhuǎn)、前艙橫擺、頂蓋等模態(tài)稍有降低。

4.3 抗凹性能

分析碳纖維頂蓋抗凹性能是否滿足要求，并與金屬頂蓋抗凹性能作對(duì)比。仿真結(jié)果如表3所示：碳纖維頂蓋的抗凹性能優(yōu)于金屬頂蓋。

4.4 整車強(qiáng)度

為評(píng)估碳纖維頂蓋的整車強(qiáng)度性能表現(xiàn)。將頂蓋外板由鈑金件換成碳纖維材料，分析其整車強(qiáng)度應(yīng)力，并與原狀態(tài)對(duì)比，評(píng)估其風(fēng)險(xiǎn)及安全性能，見(jiàn)圖5。

仿真結(jié)果顯示，碳纖頂蓋方案相比量產(chǎn)傳統(tǒng)鈑金方案，整車整體應(yīng)力水平變化較小，滿足整車強(qiáng)度要求。

5 結(jié)論

本文針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的新型汽車頂蓋進(jìn)行研究。首先根據(jù)復(fù)合材料與傳統(tǒng)鈑金材料的區(qū)別，考慮汽車頂蓋要求以及生產(chǎn)工藝進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，重點(diǎn)考慮車身連接出的截面設(shè)計(jì)。然后通過(guò)CAE技術(shù)分別對(duì)剛度性能、白車身模態(tài)、抗凹性能以及整車性能進(jìn)行分析，并對(duì)比傳統(tǒng)鈑金頂蓋的性能。從試驗(yàn)結(jié)果可以看出，新型碳纖維復(fù)合材料在減重45%的同時(shí)，其各項(xiàng)性能仍滿足車身設(shè)計(jì)要求。

項(xiàng)目資助信息：柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開(kāi)發(fā)計(jì)劃（柳科計(jì)字2017第19號(hào)）資助項(xiàng)目。項(xiàng)目名稱：汽車?yán)w維增強(qiáng)塑料覆蓋件設(shè)計(jì)制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)（2017AA10104）

項(xiàng)目資助信息：湖南省創(chuàng)新型省份建設(shè)專項(xiàng)資助項(xiàng)目，項(xiàng)目名稱：新能源汽車復(fù)合材料零部件研發(fā)及智能制造示范平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目（2019XK2104）

參考文獻(xiàn)：

[1]喬鑫，夏天，李紅，祝振林.汽車頂蓋復(fù)合材料前橫梁鋪層多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車工藝與材料，2019（12）：8-12.

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