基于車(chē)身輕量化的玄武巖纖維汽車(chē)頂蓋設(shè)計(jì)與分析

摘" 要：汽車(chē)輕量化不僅有利于降低環(huán)境污染，而且還能夠提升汽車(chē)的安全環(huán)保性能，為研究新型復(fù)合材料玄武巖纖維應(yīng)用于汽車(chē)零部件可以優(yōu)化性能、減輕質(zhì)量，該文以玄武巖纖維復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)汽車(chē)部件之一的車(chē)頂，并運(yùn)用ABAQUS對(duì)其進(jìn)行仿真分析，對(duì)比其性能相較于其他輕量化材料和金屬材料的優(yōu)劣。該分析可為新型復(fù)合材料應(yīng)用于汽車(chē)零部件設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車(chē)車(chē)頂；玄武巖纖維；仿真分析；頂蓋設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U465.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2024）17-0042-05

Abstract： Lightweight automobile can not only reduce environmental pollution， but also improve the safety and environmental protection performance of automobile. In order to study that the application of new composite basalt fiber in automobile parts can optimize the performance and reduce the quality， this paper uses basalt fiber composite to design the roof of one of automobile parts， and uses ABAQUS to simulate and analyze it， and compares its performance compared with other lightweight materials and metal materials. This analysis can provide a reference for the application of new composites in the design of automobile parts.

Keywords： lightweight; car roof; basalt fiber; simulation analysis; roof design

當(dāng)前，不僅對(duì)汽車(chē)外觀造型和品質(zhì)性能有著較高的要求，同時(shí)也更加重視汽車(chē)的節(jié)能減排和減重降耗，以此來(lái)符合國(guó)家的綠色環(huán)保發(fā)展的戰(zhàn)略方針。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，汽車(chē)整車(chē)質(zhì)量每降低10%，消耗的燃料可以降低6%～8%[1]。汽車(chē)輕量化不僅有利于降低環(huán)境污染，而且還能夠提升汽車(chē)的安全環(huán)保性能，為未來(lái)汽車(chē)發(fā)展提供了明確的方向。因此對(duì)于汽車(chē)輕量化材料及制造工藝進(jìn)行分析很有必要。

汽車(chē)輕量化的手段主要包括結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及對(duì)更先進(jìn)的制造工藝的探索[2]。其中采用輕質(zhì)材料可以直接從根本上降低汽車(chē)各零部件的質(zhì)量，是汽車(chē)輕量化技術(shù)中最直接的方法[3]。復(fù)合材料以其優(yōu)良的性能，輕量化、綠色環(huán)保的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)入人們的視野，也逐漸應(yīng)用于汽車(chē)零部件。本文以玄武巖纖維復(fù)合材料來(lái)設(shè)計(jì)汽車(chē)部件之一的車(chē)頂，并對(duì)其進(jìn)行仿真分析，對(duì)比其性能相較于其他輕量化材料和金屬材料的優(yōu)劣。

1" 玄武巖纖維材料的特點(diǎn)和性能

玄武巖纖維具有重量輕、強(qiáng)度高、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、防水和隔音隔熱等多種優(yōu)點(diǎn)。此外，玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝決定了產(chǎn)生的廢棄物少，對(duì)環(huán)境污染小，且產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無(wú)任何危害，具有可持續(xù)利用的特點(diǎn)，符合環(huán)保低碳的發(fā)展趨勢(shì)。玄武巖纖維已被我國(guó)列為重點(diǎn)發(fā)展的4大纖維之一[4]。玄武巖纖維的綜合力學(xué)性能較好，具有較高的拉伸強(qiáng)度和抗壓縮、抗剪切性能，并且應(yīng)用成本較低[5]。目前，玄武巖纖維主要嘗試運(yùn)用于汽車(chē)座椅、門(mén)板、頂棚等部件，玄武巖纖維門(mén)板和頂棚，能夠有效地減低噪音，具有隔熱效果，可提高舒適性和安全性。

2" 汽車(chē)頂蓋設(shè)計(jì)

2.1" 設(shè)計(jì)思路及數(shù)據(jù)來(lái)源

新型復(fù)合材料目前在汽車(chē)上的應(yīng)用主要以碳纖維為主，大多應(yīng)用于后視鏡殼、內(nèi)飾門(mén)板、內(nèi)飾面板、門(mén)把手、排擋桿、賽車(chē)座椅和空氣套件等，現(xiàn)在進(jìn)氣風(fēng)箱、進(jìn)氣歧管以及部分高檔車(chē)型（奔馳SLS AMG）的傳動(dòng)軸也開(kāi)始使用碳纖維。原計(jì)劃設(shè)計(jì)汽車(chē)頂蓋，包括頂蓋外板、前后橫梁、橫向加強(qiáng)梁，但基于梁的材料不變、新型復(fù)合材料主要運(yùn)用于外板的特點(diǎn)，簡(jiǎn)化模型，只建立外板部件模型。根據(jù)之前調(diào)研的結(jié)果，車(chē)頂屬于外覆蓋件，沖壓成型。目前車(chē)頂?shù)牟牧弦琅f以鋼材為主，往鋁合金方向發(fā)展，基于成本的限制，鋁合金和其他新型材料使用相對(duì)較少，材料的厚度整體來(lái)看，大約為0.5～3.0 mm，厚度根據(jù)車(chē)身不同部位的受力特點(diǎn)會(huì)有所不同，外板一般為0.65～0.7 mm，加強(qiáng)板一般為1～1.2 mm。鑒于網(wǎng)格劃分的特點(diǎn)，此次車(chē)頂模型設(shè)計(jì)厚度設(shè)置為1 mm，模型基本尺寸參考比亞迪秦EV實(shí)車(chē)尺寸，前后弧度弦長(zhǎng)1 400 mm，左右弧度弦長(zhǎng)1 000 mm（前部1 080 mm、中部970 mm、后風(fēng)窗位置1 040 mm）。

2.2" 汽車(chē)頂蓋外板設(shè)計(jì)

運(yùn)用UG建立部件模型，建立的模型如圖1所示。

鑒于汽車(chē)頂蓋外板結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，直接運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行有限元分析，通過(guò)外部建模完成幾何模型構(gòu)建之后，導(dǎo)入ABAQUS完成所有分析，包括前處理、求解、后處理。有限元模型如圖2所示。

3" ABAQUS前處理設(shè)置

3.1" 定義材料屬性

在ABAQUS-Property模塊中創(chuàng)建材料屬性，此次仿真分析對(duì)比了結(jié)構(gòu)鋼、碳纖維和玄武巖纖維3種材料，因此需要設(shè)定3種材料屬性，結(jié)構(gòu)鋼的性能參數(shù)見(jiàn)表1，復(fù)合材料力學(xué)性能參數(shù)見(jiàn)表2，車(chē)用纖維一般是熱固性樹(shù)脂基纖維布復(fù)合材料，碳纖維選用T300，力學(xué)性能數(shù)據(jù)來(lái)源查閱文獻(xiàn)所得[6-7]，玄武巖纖維參數(shù)來(lái)源于文獻(xiàn)[8]。中航工業(yè)商用發(fā)動(dòng)機(jī)有限責(zé)任公司運(yùn)用三維機(jī)織角連鎖織物制造大型商用發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，陳志明[9]在《三維角聯(lián)鎖織物基本力學(xué)性能及其變形行為分析》一文中對(duì)該織物的基本力學(xué)性能及其變形行為進(jìn)行簡(jiǎn)單的研究分析。原來(lái)的二維層合復(fù)合材料，抗剪切強(qiáng)度低、抗沖擊能力也比較弱，學(xué)者們?cè)?0世紀(jì)70年代提出的三維機(jī)織技術(shù)很好地解決了這一問(wèn)題，三維角聯(lián)鎖織物是一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的周期性結(jié)構(gòu)，因此本文中選用三維角聯(lián)鎖織物作為研究的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。朱超等[10]在《三維角聯(lián)鎖機(jī)織鋪層復(fù)合材料的拉伸性能與失效機(jī)制》一文中探討了單層厚度對(duì)復(fù)合材料拉伸性能以及失效機(jī)制的影響，結(jié)果表明，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著單層厚度的增大而顯著增加，而且文獻(xiàn)中選用的單層纖維布的最小厚度是0.8 mm，因此此次仿真的單層鋪層厚度統(tǒng)一設(shè)置為0.8 mm。

3.2" 網(wǎng)格系統(tǒng)構(gòu)建

在ABAQUS-Mesh模塊下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到載荷的加載情況，因此劃分網(wǎng)格前需要進(jìn)行模型切分，運(yùn)用創(chuàng)建拆分命令在車(chē)頂劃分出2個(gè)300 mm×130 mm的區(qū)域作為人的踩踏區(qū)域，模擬一個(gè)100 kg的人雙腳站立在車(chē)頂?shù)那樾蝃11]。劃分出的區(qū)域如圖3所示。

模型切分完成后進(jìn)行全局網(wǎng)格尺寸布種、劃分網(wǎng)格，確定網(wǎng)格的數(shù)量，注意網(wǎng)格的質(zhì)量，如果質(zhì)量不好還應(yīng)進(jìn)行二次網(wǎng)格劃分。單元類型保持默認(rèn)，為S4R，然后進(jìn)入Assembly模塊，創(chuàng)建裝配體。至此，網(wǎng)格系統(tǒng)構(gòu)建完成。

3.3" 定義載荷和邊界條件

車(chē)頂外板是通過(guò)焊接的方式連接在車(chē)頂橫梁和車(chē)身上的，因此四周采用完全固定的約束，車(chē)頂劃分出的區(qū)域模擬人站立的情形，加垂直車(chē)頂載荷Pressure 0.025 MPa，加載完成后的模型如圖4所示。

4" 仿真結(jié)果及分析

4.1" 靜力學(xué)分析

運(yùn)用靜力通用分析步，設(shè)定場(chǎng)輸出（應(yīng)力和位移云圖），求解器求解計(jì)算，輸出分析結(jié)果，應(yīng)力云圖、位移云圖如圖5所示。

對(duì)于纖維復(fù)合材料層合板來(lái)說(shuō)，影響其性能的不僅有鋪層結(jié)構(gòu)，還有鋪層角度。因此為了獲得最佳的力學(xué)性能，要對(duì)纖維進(jìn)行不同角度鋪層組合的嘗試，從而達(dá)到一定程度的層組優(yōu)化[12]。對(duì)于3層鋪層的角度分別嘗試了[0/45/-45]、[0/45/90]、[45/0/-45]、[90/0/45]4種情況，4層鋪層的角度嘗試了[0/45/-45/90]、[0/90/45/-45]、[45/-45/0/90]、[90/0/45/-45]4種情況，得到的數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3、表4、表5。綜合對(duì)比之后，選擇[0/45/-45]的3層鋪層角度組合和[90/0/45/-45]的4層鋪層角度組合（圖5中復(fù)合材料場(chǎng)輸出分別展示）。

4.2" 模態(tài)分析

汽車(chē)行駛時(shí)，路面不平以及發(fā)動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)系統(tǒng)和車(chē)輪等旋轉(zhuǎn)部件均可引發(fā)汽車(chē)振動(dòng)。通常路面不平是汽車(chē)振動(dòng)的基本輸入，振動(dòng)頻率范圍約為0.5～25 Hz。

3種材料模型的模態(tài)分析振型圖如圖6所示。

3種材料6—11階固有頻率見(jiàn)表6。

從模態(tài)分析振型圖可以看出，3種材料的自由模態(tài)振型高度相似，前6階模態(tài)近乎剛體模態(tài)，幾乎無(wú)變形，從第7階開(kāi)始出現(xiàn)1個(gè)基點(diǎn)的輕微扭轉(zhuǎn)變形，從第9階開(kāi)始出現(xiàn)了2個(gè)基點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)變形，從第11階開(kāi)始出現(xiàn)了3個(gè)基點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)變形。玄武巖纖維和結(jié)構(gòu)鋼各階的最大位移矢量差不多，碳纖維的最大位移矢量較玄武巖纖維、結(jié)構(gòu)鋼大，尤其在低階模態(tài)時(shí)大很多，說(shuō)明其在自由模態(tài)時(shí)相同放大倍數(shù)的變形較大；從前20階的固有頻率來(lái)看，碳纖維大于玄武巖纖維大于結(jié)構(gòu)鋼，說(shuō)明玄武巖纖維的彈性處于二者之間。

5" 結(jié)論

從靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)可以看出，3種材料均滿足設(shè)計(jì)要求，碳纖維和玄武巖纖維這2種復(fù)合材料在鋪層3層的情況下性能已經(jīng)優(yōu)于結(jié)構(gòu)鋼，碳纖維密度更小，因此更輕，但碳纖維成本高，柔韌性也沒(méi)有玄武巖纖維好，如果選用玄武巖纖維鋪層2.4 mm的情況下，車(chē)頂?shù)馁|(zhì)量將減重14.4%。從模態(tài)分析的數(shù)據(jù)可以看出，玄武巖纖維層合板的剛度和結(jié)構(gòu)鋼板材差不多，彈性更好，相比較結(jié)構(gòu)鋼，在相同工作條件的激勵(lì)下，更不容易發(fā)生共振。研究結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移云圖分布狀態(tài)的特點(diǎn)，找出應(yīng)力集中和容易破壞的地方，可以為后續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論性指導(dǎo)[13]。后續(xù)如果有條件可以做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此次仿真的數(shù)據(jù)，并優(yōu)化汽車(chē)頂蓋模型。

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