復(fù)合材料應(yīng)用于節(jié)能車車架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

黃泳鏵，吳漣漪，薛嘉豪，李凱宇，柯志鵬，朱梓睿，林閩妍

（廣州城市理工學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院，廣東 廣州 510800）

作為車身基本的骨架，車架在行駛過程中需具備足夠的強(qiáng)度和剛性，在保證車架具有良好行駛性能的同時(shí)對其進(jìn)行輕量化處理是我們的研究方向。一般情況下輕量化和強(qiáng)度剛度兩者是不可兼得的，為解決這一矛盾，采用復(fù)合材料鋁蜂窩板作為車架材料。

復(fù)合材料具備質(zhì)量輕、比強(qiáng)度高、隔熱、隔音、抗振等優(yōu)點(diǎn)，其通常至少由兩塊強(qiáng)度以及彈性模量較大的面板材料中間夾著厚且輕的芯層材料構(gòu)成，這種組合既提高構(gòu)件的抗彎剛度，又充分利用材料的剛度，現(xiàn)被應(yīng)用于汽車交通、新能源等多個(gè)領(lǐng)域。

本文研究的車架材料選用環(huán)氧樹脂系膠水加固的碳纖維增強(qiáng)基復(fù)合材料（Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP），其具有質(zhì)量輕且能抵抗沖擊的優(yōu)點(diǎn)，在車體制作中用的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Plastics, FRP），對比金屬材料可以發(fā)現(xiàn)，其比鋁輕一半，只是鐵的質(zhì)量的1/5，且強(qiáng)度和剛度比夾層板高10倍有余。

1 節(jié)能車車架模型及材料選擇

本文為減輕車架整體質(zhì)量，建立車架三維模型，如圖1所示，材料選取鋁蜂窩芯和碳纖維的夾芯板，上下CFRP外殼為全碳纖維結(jié)構(gòu)，材料為T700/FAW100。CFRP T700/FAW100的材料性能如表1所示。中間夾芯選擇用鋁蜂窩芯和Nomex蜂窩芯，鋁蜂窩芯具有各向同性材料性能，其材料為3003鋁合金。材料性能如表2所示。

根據(jù)之前的研究和樣品測試，鋁蜂窩的厚度與碳纖維板的厚度之比約為8:2時(shí)具有優(yōu)異的性能。由于材料限制，最終選擇鋁蜂窩厚度為7 mm，CFRP面板厚度為3 mm。夾芯蜂窩的邊長為6.4 mm。

2 車架分析及優(yōu)化

2.1 模型前處理

復(fù)合材料仿真計(jì)算方法分為微觀尺度、中尺度、宏觀尺度等仿真計(jì)算類型。微觀尺度計(jì)算通過定義纖維幾何在基體中的角度、位置、材料屬性等建立微觀尺度到宏觀尺度之間的聯(lián)系；中尺度復(fù)材仿真分析方法主要通過建立復(fù)合材料層合板模型分析層合板的應(yīng)變、應(yīng)力以及失效破壞準(zhǔn)則，中尺度計(jì)算方法可選用殼體或?qū)嶓w模擬計(jì)算；宏觀方法通常用于不考慮層間評(píng)估的整體應(yīng)力、模態(tài)、屈曲等分析。

本文采用中尺度的仿真計(jì)算方法分析車架底板部分的受力，在ACP（pre）模塊對車架底板結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行復(fù)合材料前處理鋪層設(shè)置。在Engineering Data中定義層和核心，并在Geometry編輯模型，車架底板有限元模型選擇四邊形網(wǎng)格進(jìn)行劃分，取5 mm的目標(biāo)網(wǎng)格尺寸。

建模過程中需對其逐層進(jìn)行材料參數(shù)的定義。更新setup，對模型創(chuàng)建層和核心面料、疊層、子層壓板，面板相鄰兩層間設(shè)置45°交錯(cuò)。后續(xù)在基板上定義新的原點(diǎn)坐標(biāo)和面向選擇集（OSS），以及對鋪層設(shè)置材料、纖維主方向、鋪層層厚度等屬性。

2.2 靜力學(xué)分析

將setup與structural中的model連接，傳遞殼單元數(shù)據(jù)。由于該復(fù)合材料的應(yīng)用方式為板式結(jié)構(gòu)，其長度及寬度的尺寸遠(yuǎn)大于另一方向（厚度）的尺寸，而當(dāng)板的厚度較于其他方向很小時(shí)，可看作受力主要表現(xiàn)為彎曲。模擬有效載荷對其進(jìn)行力的加載，對整體板式結(jié)構(gòu)添加邊界條件和施加向下500 N的載荷。

2.3 后處理結(jié)果分析

靜態(tài)結(jié)構(gòu)與ACP結(jié)果的連接解（Post），由結(jié)果可以得知，車架的最大變形量為5.6 mm，如圖2所示；最大應(yīng)力為32.8 MPa，如圖3所示。

模擬車手坐上車后的結(jié)果分析可知，原車架底板部分為單層鋁蜂窩板時(shí)，車架底板中心出現(xiàn)變形較大情況，需要對車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，最大應(yīng)力在材料的屈服強(qiáng)度范圍內(nèi)，滿足強(qiáng)度要求。

2.4 優(yōu)化處理

對車架底板受力大的區(qū)域膠接一層Nomex紙蜂窩板，蜂窩夾芯厚度為8 mm，CFRP面板厚度為3 mm，材料參數(shù)如表2所示。在ACP對其分析，得出優(yōu)化后的結(jié)果為車架最大變形量0.16 mm，如圖4所示，最大應(yīng)力10.39 MPa，如圖5所示。

結(jié)果分析得出，在車架受力中心變形較大區(qū)域膠接單層Nomex紙蜂窩板后，變形減小，增加了車架底板強(qiáng)度，同時(shí)有利于對車架輕量化處理。

3 不同工況下車架強(qiáng)度分析及其結(jié)構(gòu)優(yōu)化

3.1 原模型前處理

使用連接器功能將后輪支架軸進(jìn)行連接，取其中點(diǎn)進(jìn)行，，方向約束模擬后輪固定情況，同時(shí)對前輪兩個(gè)安裝孔進(jìn)行，，方向約束，模擬前輪固定情況。

3.2 添加約束、載荷

對電機(jī)支架六點(diǎn)安裝孔進(jìn)行連接，取其中心點(diǎn)作為作用點(diǎn)，并在方向加載25 N的力來模擬電機(jī)固定的載荷，對車架底板加載壓力模擬質(zhì)量為50 kg的車手對底板施加的壓力。由于碳纖維鋁蜂窩板對不同方向的力學(xué)性能不一樣，所以對相同材料的碳纖維鋁蜂窩板分別定義為方向受力碳纖維鋁蜂窩板與方向受力碳纖維鋁蜂窩板，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)定義不同碳纖維鋁蜂窩板為方向受力或方向受力。根據(jù)車架的實(shí)際工作情況，選擇如下兩種典型工況對車架的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行校核，兩個(gè)工況說明如下：

工況一：模擬原型車在水平直線道路勻速行駛情況，對車架底板施加0.004 MPa豎直方向壓力進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。

工況二：模擬原型車在受豎直方向顛簸的行駛情況，對車架底板施加0.04 MPa豎直方向壓力進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。

完成定義后最終的模型如圖6所示。

3.3 分析結(jié)果

3.3.1 工況一

最小安全系數(shù)為0.4，如圖7所示，最大位移為0.439 7 mm，如圖8所示。

3.3.2 工況二

最小安全系數(shù)為0.037 09，如圖9所示，最大位移為4.393 mm，如圖10所示。

分析得原車架結(jié)構(gòu)在工況二中最小安全系數(shù)不符合設(shè)計(jì)要求，且位移量較大，無法滿足真實(shí)使用情況下的性能要求，并且在車架底板與龍門架相交處出現(xiàn)應(yīng)力集中，可能會(huì)導(dǎo)致車架結(jié)構(gòu)撕裂，造成結(jié)構(gòu)失效，故需在防滾架與龍門架之間固定加強(qiáng)筋來解決基本結(jié)構(gòu)不達(dá)標(biāo)的問題。

3.4 優(yōu)化車架結(jié)構(gòu)

對優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)加載與原車架相同載荷，約束條件以及相同的材料定義，最終模型如圖11所示。

根據(jù)車架的實(shí)際工作情況，選擇如下兩種典型工況對優(yōu)化結(jié)構(gòu)車架的強(qiáng)度及剛度進(jìn)行校核，兩個(gè)工況說明如下：

工況一：模擬原型車在水平直線道路勻速行駛情況，對車架底板施加0.004 MPa豎直方向壓力進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。

工況二：模擬原型車在受豎直方向顛簸的行駛情況，對車架底板施加0.04 MPa豎直方向壓力進(jìn)行強(qiáng)度及剛度校核。

得出分析結(jié)果如下：

3.4.1 工況一

最小安全系數(shù)為0.7，如圖12所示，最大位移為0.030 17 mm，如圖13所示。

3.4.2 工況二

最小安全系數(shù)為0.1，如圖14所示，最大位移為0.322 3 mm，如圖15所示。

通過分析可以看出優(yōu)化后車架結(jié)構(gòu)在工況一與工況二的數(shù)據(jù)都優(yōu)于原車架結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)，且基本滿足原型車力學(xué)性能的要求。

以上分析結(jié)果僅代表典型工況條件下靜力學(xué)分析結(jié)果。

4 結(jié)論

通過ANSYS Composite Prep/Post對比后處理中的結(jié)果分析，可得對車架底板應(yīng)變程度大的區(qū)域膠接一層Nomex紙蜂窩板有利于減小車架的變形；通過Altair Inspire分析不同工況下車輛行駛情況，在防滾架與龍門架之間固定加強(qiáng)筋可以用來解決基本結(jié)構(gòu)不達(dá)標(biāo)的問題。

除了上述優(yōu)化方法，本文車架選擇用結(jié)構(gòu)膠膠接的方式制作，若存在膠量不夠或膠接膠性能不好的問題，材料會(huì)因彎曲而分離，具體要根據(jù)實(shí)際情況在原有基礎(chǔ)上對其添加碳纖維布的鋪層，增強(qiáng)整體的穩(wěn)定性。

根據(jù)殼牌汽車環(huán)保馬拉松比賽賽規(guī)，本文對節(jié)能車車架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過與往年的節(jié)能車車架對比，復(fù)合材料蜂窩板膠接制造的車架在保證自身強(qiáng)度的同時(shí)整體質(zhì)量有所下降，驗(yàn)證了蜂窩板對車架輕量化的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。