基于碳纖維復(fù)合材料的新能源汽車前車門輕量化設(shè)計(jì)研究

曹思琳

摘要：為實(shí)現(xiàn)汽車前車門的輕量化，研究采用碳纖維復(fù)合材料作為汽車車門制造的核心原料，在滿足汽車對(duì)性能和裝配的要求下，通過該材料進(jìn)行汽車車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層優(yōu)化，最大限度地降低新能源汽車的整體質(zhì)量。利用有限元分析軟件建立汽車前車門有限元模型，該模型內(nèi)部包含Ply+Stack方式，通過該方式可完成碳纖維復(fù)合材料鋪層的定義，有利于設(shè)計(jì)者清晰地觀察到碳纖維復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的可視化定義。將該材料應(yīng)用于新能源汽車前車門的輕量化設(shè)計(jì)，汽車輕量化效果為54.94%，達(dá)到了碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)目的及要求。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料;新能源;汽車前車門;輕量化

中圖分類號(hào)：U463.83+4;TQ050.4+3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-5922（2022）07-0069-04

Lightweight design of front door of new energy vehicle

based on carbon fiber composite material

CAO Silin

（Shaanxi College of Communication Technology， College of Automotive Engineering， Xian 710018， China）

Abstract：In order to achieve the light weight of the front door of the car， this study used carbon fiber composite material as the core material of the car door manufacturing， under the requirement of the performance and assembling of the car， to minimize the overall weight of new energy vehicles through the material of the car door structure design and optimization. Finite element analysis software was used to establish the finite element model of the front door of the car. The model contained Ply+Stack mode， through which the definition of carbon fiber composite material paving could be completed， which was beneficial for designers to clearly observe the layer structure of carbon fiber composite material and realize the visual definition of carbon fiber composite material. The material was applied to the lightweight design of the front door of a new energy vehicle， and the lightweight effect of the vehicle was 54.94%， which met the design purpose and requirements of carbon fiber composite material.

Key words：carbon fiber composites; new energy sources; car front door; lightweight

隨著我國(guó)科技的不斷進(jìn)步，碳纖維復(fù)合材料逐漸出現(xiàn)在人們的日常生活中，該材料屬于一種性能十分優(yōu)異的新型復(fù)合材料，被廣泛應(yīng)用與航天、軍事等該高科技領(lǐng)域。近年來，汽車的發(fā)展方向向著節(jié)能化、環(huán)?；繑n，使碳纖維復(fù)合材料成為汽車輕量化的重要舉措之一。碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量等優(yōu)勢(shì)，將該材料應(yīng)用于汽車輕量化設(shè)計(jì)中，有利于最大限度地減少汽車的整體質(zhì)量。為此本研究主要對(duì)新能源汽車前車門輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究，對(duì)于汽車制造領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

1碳纖維復(fù)合材料的基本屬性

1.1碳纖維復(fù)合材料概述

碳纖維復(fù)合材料實(shí)際上是由兩種或兩種以上不同性質(zhì)的材料共同組成，系經(jīng)過一系列專業(yè)的處理后，形成具有較強(qiáng)優(yōu)勢(shì)性能的材料。該材料由于內(nèi)部組成成分的不同，可形成多相組成的形態(tài)。碳纖維復(fù)合材料主要分為基體和增強(qiáng)體兩部分，二者之間在性能上屬于相互彌補(bǔ)關(guān)系，可通過協(xié)同效應(yīng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料的性能進(jìn)行提升，滿足汽車領(lǐng)域?qū)μ祭w維復(fù)合材料的各種需求[1]。

碳纖維是一種連續(xù)細(xì)絲碳材料，該材料作為復(fù)合材料的增強(qiáng)體，其直徑范圍在6～8 μm。為更好的適應(yīng)多種領(lǐng)域?qū)υ摬牧系男枨螅狙芯拷Y(jié)合該材料基體的差異性將其劃分為多種類型的復(fù)合材料。其中，應(yīng)用最為廣泛的材料為碳纖維復(fù)合材料;而碳纖維復(fù)合材料根據(jù)自身所用基體樹脂的不同，又可劃分為熱塑性樹脂以及熱固性樹脂。最終經(jīng)過一系列分析，選擇環(huán)氧樹脂基體的碳纖維復(fù)合材料進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)[2]。

1.2碳纖維復(fù)合材料特性分析

1.2.1復(fù)合材料力學(xué)性能

通過將碳纖維復(fù)合材料與其他材料進(jìn)行對(duì)比可知，該材料具有較高的比強(qiáng)度和比模量，可取代鋁作為汽車結(jié)構(gòu)制造的主要材料，這有利于最大限度地減少汽車的整體質(zhì)量，其效率高達(dá)20%～40%。碳纖維復(fù)合材料與其他材料性能對(duì)比結(jié)果如表1所示[3]。

1.2.2復(fù)合材料耐疲勞性能

材料疲勞性指的是材料在使用過程中存在多種應(yīng)力的干擾，在多種應(yīng)力的反復(fù)作用下可出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象。若將出現(xiàn)疲勞現(xiàn)象的材料應(yīng)用于產(chǎn)品制造中，可造成產(chǎn)品的物理機(jī)械性能產(chǎn)生裂口、破壞等，最終喪失制品的使用價(jià)值。耐疲勞性指的是該材料可承受多種應(yīng)力的反復(fù)作用，并且可保證制品的使用價(jià)值。碳纖維復(fù)合材料主要由壓層構(gòu)成，該壓層可最大限度地提升材料的疲勞強(qiáng)度，其數(shù)值為90%[4]。

1.2.3復(fù)合材料耐腐蝕性能

耐腐蝕性指的是碳纖維復(fù)合材料可抵抗周圍介質(zhì)的腐蝕性。碳纖維復(fù)合材料的基體為環(huán)氧樹脂，在環(huán)氧樹脂的支持下可使碳纖維復(fù)合材料具有良好的耐酸堿性，即使在酸堿環(huán)境下，仍可保證材料的自身性能。

2基于碳纖維復(fù)合材料的新能源汽車前車門輕量化設(shè)計(jì)

2.1碳纖維復(fù)合材料前車門有限元模型構(gòu)建

本研究對(duì)新能源汽車前車門進(jìn)行有限元分析時(shí)，為最大限度地減少網(wǎng)格數(shù)量，現(xiàn)只對(duì)新能源汽車前車門的結(jié)構(gòu)件進(jìn)行分析。當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，將該材料應(yīng)用于新能源汽車的車門制造，在滿足汽車對(duì)性能和裝配的要求下，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層優(yōu)化，最大限度地降低汽車車門的整體質(zhì)量，有利于提升新能源汽車的性能。為實(shí)現(xiàn)汽車減重的目的，通過輕量化技術(shù)將汽車前車門的內(nèi)外板上集成部分零件，并對(duì)前車門內(nèi)外板的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行簡(jiǎn)化。將原本的工藝孔去除，該方法可有效降低汽車的質(zhì)量[5]。

為實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的可視化定義，本研究利用有限元分析軟件建立汽車前車門有限元模型，該模型內(nèi)部包含Ply+Stack方式，通過該方式可完成碳纖維復(fù)合材料鋪層的定義，具有較強(qiáng)的直觀性，有利于設(shè)計(jì)者清晰地觀察到碳纖維復(fù)合材料的鋪層結(jié)構(gòu)。碳纖維復(fù)合材料可視化定義流程：首先在Ply卡片中完成碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)，對(duì)每一層鋪層的區(qū)域及厚度進(jìn)行精確定義。實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料鋪層的定義后，利用Stack卡片按照一定排列順序?qū)⒍x成功的Ply卡片疊加在一起，即可實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的可視化定義，并且該方式具有較強(qiáng)的精準(zhǔn)度。

2.2碳纖維復(fù)合材料汽車前車門模態(tài)分析

本研究對(duì)碳纖維復(fù)合材料前車門進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，主要將信號(hào)域識(shí)別技術(shù)作為核心，充分結(jié)合識(shí)別信號(hào)域的差異性對(duì)前車門模態(tài)的識(shí)別方法進(jìn)行劃分，前車門模態(tài)的識(shí)別方法主要包括兩種：頻域方法、時(shí)域方法。其中頻域方法對(duì)模態(tài)進(jìn)行識(shí)別時(shí)的主要流程為：首先將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)化為該方法可以識(shí)別的頻域信號(hào)，通過對(duì)頻域信號(hào)即可實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料前車門的模態(tài)識(shí)別。時(shí)域方法的車門模態(tài)識(shí)別流程為：首先確定汽車前車門結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)時(shí)間，將該時(shí)間相應(yīng)在模態(tài)中，利用該方式即可完成識(shí)別，該方法的識(shí)別參數(shù)包括振動(dòng)頻率、阻尼等。為最大限度地降低模態(tài)之間存在的耦合現(xiàn)象，只對(duì)汽車的局部模態(tài)頻率進(jìn)行研究，有利于防止汽車出現(xiàn)共振情況，碳纖維復(fù)合材料汽車前車門模態(tài)分析結(jié)果如表2所示[6]。

2.3碳纖維復(fù)合材料汽車前車門剛度分析

由于汽車前車門的密封性與剛度之間存在一定關(guān)系，汽車前車門出現(xiàn)較大的變形現(xiàn)象，可直接造成汽車前車門的密封性被破壞。若汽車前車門的剛度足夠大，可有效避免車門出現(xiàn)變形現(xiàn)象，有利于提升車門的密封性。為此，本研究對(duì)汽車前車門的下彎、扭轉(zhuǎn)以及汽車內(nèi)外板剛度進(jìn)行分析，利用對(duì)比分析的方式實(shí)現(xiàn)參考值與車門剛度之間的比較，其分析結(jié)果顯示，該車門各種類型的剛度均大于參考值，具有較強(qiáng)的剛度特性。碳纖維復(fù)合材料汽車前車門剛度分析結(jié)果如表3所示。

2.4碳纖維復(fù)合材料汽車前車門靜強(qiáng)度分析

為驗(yàn)證使用碳纖維復(fù)合材料作為主要生產(chǎn)原料的汽車前車門的基本性能，本研究采用靜強(qiáng)度分析的方式對(duì)汽車前車門的性能進(jìn)行研究。通常情況下靜態(tài)強(qiáng)度主要包括過開以及下垂靜強(qiáng)度分析。研究結(jié)果顯示，使用碳纖維復(fù)合材料制作的汽車前車門具有較強(qiáng)的可靠性以及耐久性，有利于提升汽車的安全性[7]。

2.4.1汽車前車門過開靜強(qiáng)度

對(duì)汽車前車門的過開靜強(qiáng)度進(jìn)行分析時(shí)，其分析流程為：

（1）將汽車前車門開起至66°最大角度，從車門的鉸鏈安全點(diǎn)開始，分別沿著正負(fù)X向和Y向?qū)Π总嚿碛邢拊Ｐ瓦M(jìn)行截取，將白車身的斷面和炮塔處約束為SPC1-6;

（2）加載車門自重G分析，然后保持自重G;

（3）從鎖扣處沿著車門外板面以垂直方向施加400 N的力，并進(jìn)行位移分析;然后，再次保持自重G，卸載對(duì)鎖扣處的400 N力，并進(jìn)行位移分析。

2.4.2汽車前車門下垂靜強(qiáng)度

對(duì)汽車前車門的下垂靜強(qiáng)度進(jìn)行分析，其分析流程為：

（1）從車門的鉸鏈安全點(diǎn)開始，分別沿著正負(fù)X向和Y向?qū)Π总嚿碛邢拊Ｐ瓦M(jìn)行截取，對(duì)車門微開15°和全開66°的工況進(jìn)行精準(zhǔn)記錄;

（2）將白車身的斷面和炮塔處約束為SPC1-6，在鎖扣位置對(duì)車門外板的垂向自由度進(jìn)行約束;并對(duì)汽車前車門進(jìn)行自重G分析。在保證該重力的情況下，完成車門垂向自由度的釋放;

（3）在鎖扣處對(duì)車門外板施加1 000 N的力，對(duì)下垂位移進(jìn)行分析;再次保持自重G，卸載1 000 N力后對(duì)下垂位移再次進(jìn)行分析。

碳纖維復(fù)合材料汽車前車門下垂靜強(qiáng)度分析結(jié)果如表4所示[8]。

通過對(duì)表4中數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，使用碳纖維復(fù)合材料作為車門的核心材料，有利于提升前車門的過開以及下垂靜強(qiáng)度，其各項(xiàng)指標(biāo)數(shù)據(jù)均優(yōu)于金屬車門，可最大限度地滿足新能源汽車前車門對(duì)性能的多種要求。

結(jié)合碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)對(duì)新能源汽車前車門進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)新能源汽車的減重目的。最終通過計(jì)算可知，汽車輕量化效果為54.94%，達(dá)到了碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)目的及要求。

3結(jié)語(yǔ)

本研究為實(shí)現(xiàn)汽車輕量化，憑借碳纖維復(fù)合材料的多種優(yōu)勢(shì)，將該材料應(yīng)用于新能源汽車的車門制造中，并對(duì)汽車的前車門進(jìn)行主要研究。當(dāng)前碳纖維復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域，在滿足汽車對(duì)性能和裝配的要求下，利用結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與鋪層優(yōu)化，最大限度地降低汽車車門的整體質(zhì)量，有利于提升新能源汽車的性能。為實(shí)現(xiàn)汽車減重的目的，通過輕量化技術(shù)將汽車前車門的內(nèi)外板上集成部分零件，并對(duì)前車門內(nèi)外板的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行簡(jiǎn)化。將原本的工藝孔去除，該方法可有效降低汽車的的量。利用有限元分析軟件建立汽車前車門有限元模型，實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料的可視化定義。將該材料應(yīng)用于新能源汽車前車門的輕量化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)新能源汽車的減重目的，汽車輕量化效果為54.94%，達(dá)到了碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)目的及要求。

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