某新能源汽車復(fù)合材料前車門輕量化設(shè)計

朱增余　江晶晶　范冬冬　趙春　侯亞卓

摘 要：本文以汽車前門作為研究對象，以碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計及鋪層形式進(jìn)行研究。經(jīng)過仿真分析表明，碳纖維前車門的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度都得到了明顯的提升，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，重量得到了減輕，實現(xiàn)了輕量化的目的。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 前車門 輕量化 模態(tài)識別

1 引言

近年來，使用復(fù)合材料已經(jīng)成為汽車輕量化的重要措施，也更加貼合一直倡導(dǎo)的汽車環(huán)保化，節(jié)能化發(fā)展趨勢，是未來汽車發(fā)展的前進(jìn)方向。碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)材料，以樹脂、金屬、陶瓷為基體材料，經(jīng)過復(fù)合成型制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，其具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗疲勞、便于設(shè)計、易于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料是目前解決燃油車和新能源汽車減重的最好途徑之一，可使汽車減重30%～60%。碳纖維復(fù)合材料已在高端車，超跑，賽車，改裝車，限量版車型以及少量的電動車上大量應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車車身，制動器襯片，燃料貯罐，座椅加熱墊，傳動軸，輪轂等部位。

2 復(fù)合材料力學(xué)性能

復(fù)合材料具有非均勻的力學(xué)性能且強(qiáng)度和剛度性能表現(xiàn)為各向異性與隨機(jī)性;復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)金屬材料而言其單位質(zhì)量的強(qiáng)度和模量高，承載能力好，在滿足相同性能下，具有較大的減重空間，同時也可減少零件數(shù)量。因此，選擇使用復(fù)合材料制造車門，是汽車輕量化的重要手段之一。

3 復(fù)合材料汽車前車門力學(xué)性能分析

在有限元分析中，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，只選擇其中的結(jié)構(gòu)件來做分析。

3.1 復(fù)合材料前車門有限元模型建立

復(fù)合材料在車門上已經(jīng)開始使用，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計和鋪層優(yōu)化在滿足性能和裝配的前提下可實現(xiàn)車門大幅減重。技術(shù)方案為內(nèi)外板集成部分零件，簡化結(jié)構(gòu)特征，取消工藝孔，實現(xiàn)減重目的。

在有限元前處理軟件中，通過復(fù)合材料建模模塊支持的Ply+Stack方式可以定義出非常直觀的復(fù)合材料鋪層。在Ply卡片中可以精確定義每一層鋪層的鋪層區(qū)域以及每一鋪層的厚度，每一層的鋪層屬性定義完成之后，用Stack卡片將定義完成的Ply卡片按照一定排列順序疊加在一起，通過這兩種卡片就可以實現(xiàn)復(fù)合材料的精確的可視化定義。其有限元模型如圖1所示。

3.2 復(fù)合材料前車門模態(tài)分析

按照識別信號域的不同可將結(jié)構(gòu)模態(tài)的識別方法劃為頻域方法、時域方法和時頻域方法。其中，頻域類方法是將時域信號轉(zhuǎn)換為頻域上的信號，進(jìn)行模態(tài)識別的方法;時域方法是直接根據(jù)結(jié)構(gòu)的實測時間響應(yīng)在模態(tài)中識別，主要識別參數(shù)包括振動頻率、阻尼和振型等。本次主要研究車門局部模態(tài)頻率，避免發(fā)生模態(tài)耦合，引起共振。 模態(tài)分析結(jié)果如表1至表4所示：

3.3 復(fù)合材料前車門剛度分析

汽車前車門應(yīng)該有足夠的剛度，避免出現(xiàn)大的變形而影響車門的密封性，其中車門的剛度分析如表5所示。

3.4 復(fù)合材料前車門強(qiáng)度分析

通過前車門的靜強(qiáng)度分析可以驗證結(jié)構(gòu)的耐久性與可靠程度，此次通過車門過載全開分析來校核車門強(qiáng)度。

工況一：

車門開啟到最大角度，結(jié)構(gòu)帶車門鉸鏈，限位器。從車身上車門的鉸鏈安裝點(diǎn)出發(fā)，分別沿正負(fù)X向和Y向截取約400mm的白車身有限元模型，在白車身斷面約束SPC123。首先，在局部坐標(biāo)系下的鎖扣位置約束車門轉(zhuǎn)動，對車門施加1G重力，接著保持重力，釋放車門轉(zhuǎn)動，在鎖芯處沿車門開啟方向施加載荷225N;再次保持重力，卸載鎖芯處的載荷，進(jìn)行分析。

工況二：

車門開啟到最大角度，結(jié)構(gòu)帶車門鉸鏈，限位器和車門有限元模型。從車身上車門的鉸鏈安裝點(diǎn)出發(fā)，分別沿正負(fù)X向和Y向截取約400mm的車身有限元模型，在白車身斷面約束SPC123。首先，在局部坐標(biāo)系下的鎖扣位置約束車門轉(zhuǎn)動，對車門施加1G重力，接著保持重力，釋放車門轉(zhuǎn)動，在鎖芯處沿車門開啟方向施加載荷0.48*L（其中L為鎖芯到上下鉸鏈軸連線的垂直距離）;再次保持重力，卸載鎖芯處的載荷，進(jìn)行分析。

4 復(fù)合材料前車門輕量化與結(jié)果對比

通過模態(tài)分析結(jié)果可知，復(fù)合材料的前車門響應(yīng)分析識別出前車門一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為57.56Hz，一階彎曲模態(tài)為55.76Hz，均滿足NVH的目標(biāo)要求。通過之前計算分別得到了復(fù)合材料的靜態(tài)剛度性能與自由模態(tài)下個模態(tài)振動頻率。整個復(fù)合材料車門重量為11.29kg，鋼鐵材料車門為15.451kg，在滿足實際要求的基礎(chǔ)上，減重4.161kg。

5 結(jié)語

本文對碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能行進(jìn)行了簡要論述，并對其模態(tài)、剛度、靜強(qiáng)度方面進(jìn)行性能分析，與鋼鐵材料車門性能參數(shù)對比，得出復(fù)合材料車門的性能優(yōu)于鋼鐵材料車門，對比鋼鐵材料車門和復(fù)合材料輕量化車門的質(zhì)量，車門減輕了4.161kg 的質(zhì)量，輕量化率達(dá)到了 26.9%，達(dá)到減重的輕量化效果，實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料減重設(shè)計的目的要求。

項目來源：該項目為廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計劃項目2019B090911003;肇慶市對接國家和省重大科研項目專項2018K004。

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