李洋，施偉辰

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

汽車保險(xiǎn)杠橫梁的研究與改進(jìn)

李洋，施偉辰

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(CFRP)是一種新型復(fù)合材料，具有優(yōu)良的性能。由于其具有較輕質(zhì)量和較高的比強(qiáng)度比吸能比剛度等特性很適合用作汽車構(gòu)件。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)為其用作汽車保險(xiǎn)杠提供了方便。文章針對(duì)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和橡膠制作成的汽車保險(xiǎn)杠橫梁在碰撞時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的優(yōu)勢(shì)進(jìn)行分析探討，并與傳統(tǒng)的鋼制保險(xiǎn)杠橫梁和碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠橫梁進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)ANSYS進(jìn)行仿真，利用LS-DYNA對(duì)保險(xiǎn)杠模型進(jìn)行碰撞模擬。結(jié)果顯示有橡膠層保險(xiǎn)杠橫梁變形較小，性能優(yōu)異，滿足要求。

復(fù)合材料；橡膠；保險(xiǎn)杠；碰撞；仿真

CLC NO.: U463.8 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-164-03

前言

隨著各國(guó)對(duì)新型材料研發(fā)的力度逐漸增加，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的性能也越來(lái)越好。由于這種材料具有各向異性的特點(diǎn)，這樣就可以滿足某些結(jié)構(gòu)在一定方向上的力學(xué)性能要求而在別的方向上性能過(guò)剩的局面。汽車保險(xiǎn)杠要求自身具有良好的吸能效果，保護(hù)汽車及汽車內(nèi)乘客的安全。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和橡膠材料在碰撞時(shí)均具有很好的吸能效果，從這些方面考慮，結(jié)合兩者共同的優(yōu)勢(shì)開(kāi)發(fā)新的汽車保險(xiǎn)杠橫梁是可行的。傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)保險(xiǎn)杠質(zhì)量大，增加了汽車的油耗，改用碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠極大的降低了這一問(wèn)題，在碳纖維復(fù)合材料橫梁的基礎(chǔ)上，增加橡膠層，有效的保護(hù)了橫梁，改善了碰撞情況。國(guó)外很多機(jī)構(gòu)已經(jīng)對(duì)碳纖維復(fù)合材料用作汽車結(jié)構(gòu)件和覆蓋件做了大量研究，國(guó)內(nèi)這一領(lǐng)域由于受到材料研發(fā)的制約，還未大量推廣研究。隨著時(shí)代的發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料一定會(huì)普及，而且的到快速的發(fā)展。提前對(duì)其進(jìn)行研究是很有價(jià)值和意義的。

1、碳纖維復(fù)合材料層合板力學(xué)基礎(chǔ)

取坐標(biāo)x,y,z中z=0的xoy面為中面。沿著板厚范圍內(nèi)x,y,z方向的位移是

μ，v，ω，中面上點(diǎn)x,y,z方向的位移為μ0，v0，ω0，如圖1所示。

圖1 層合板坐標(biāo)圖

假設(shè)層合板中變形前垂直于中面的直線段，變形后仍未直線且垂直中面。該線段的長(zhǎng)度不改變。由假設(shè)，板中某一垂直于中面的直線段AB變形后為A′B′。如圖2。

圖2 直線段變形前后關(guān)系

原中面上o點(diǎn)的x方向位移為μ0，直線段AB變形后仍與中面垂直，的切角是，則C點(diǎn)在x方向的位移。

同理可得C點(diǎn)在y方向的位移：

由彈性力學(xué)公式位移與應(yīng)變的關(guān)系：

帶入可得，

2、新型汽車保險(xiǎn)杠設(shè)計(jì)模型

選取某種汽車保險(xiǎn)杠模型作為參考，利用UG進(jìn)行建模設(shè)計(jì)出保險(xiǎn)杠模型，導(dǎo)入ANSYS進(jìn)行前處理，處理結(jié)果使用LS-DYNA進(jìn)行運(yùn)算。該模型保險(xiǎn)杠橫梁采用8毫米厚度橡膠與8毫米厚碳纖維復(fù)合材料粘結(jié)結(jié)構(gòu)，復(fù)合材料采用+45°和-45°交叉鋪層，每層厚度0.2毫米，鋪設(shè)40層。碰撞速度為4km/h。模型方案如下圖：

圖3

碳纖維復(fù)合材料采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料T300/5208，材料屬性如下：

表1-1 T300/5208材料參數(shù)

橡膠的材料參數(shù)為橡膠材料屬性：密度1000 Kg/m^3，彈性模量 6.1*10^6 Pa，泊松比 0.490抗剪模量 2.9*10^6 Pa，屈服強(qiáng)度 9.24*10^6 Pa。

3、結(jié)果分析

新型保險(xiǎn)杠在碳纖維橫梁粘有橡膠材料。圖1為三種模型加速度變化對(duì)比，即無(wú)橡膠層的碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠和有橡膠層的碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠以及鋼制保險(xiǎn)杠對(duì)比，從圖中可以看出，從開(kāi)始接觸計(jì)算，0-0.026s無(wú)橡膠層的保險(xiǎn)杠的車身加速度高于有橡膠層的保險(xiǎn)杠的，碰撞在0.026-0.047s時(shí)，二者加速度相差不大，0.047s后，有橡膠層的保險(xiǎn)杠加速度變化明顯低于無(wú)橡膠層的保險(xiǎn)杠。說(shuō)明有橡膠層的保險(xiǎn)杠碰撞過(guò)程更加平穩(wěn)，性能優(yōu)于無(wú)橡膠層的保險(xiǎn)杠。而鋼制保險(xiǎn)杠的加速度在0.047s前始終高于有橡膠層保險(xiǎn)杠。之后二者加速度相差不大。

圖4 三種保險(xiǎn)杠加速度變化圖像

圖5為無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠橫梁節(jié)點(diǎn)A68073和有橡膠保險(xiǎn)杠橫梁節(jié)點(diǎn)A346406的位移情況及鋼制保險(xiǎn)杠橫梁節(jié)點(diǎn)A33629位移情況，從節(jié)點(diǎn)位移可以看出保險(xiǎn)杠在受到碰撞時(shí)發(fā)生的變形情況，二者正相關(guān)。無(wú)橡膠層的保險(xiǎn)杠橫梁在較短時(shí)間內(nèi)位移較大，最大值達(dá)到15.387毫米。有橡膠層保險(xiǎn)杠橫梁的位移較小，最大值為13.92毫米，而且達(dá)到最大值時(shí)所用時(shí)間更長(zhǎng)。鋼制保險(xiǎn)杠橫梁位移最大，最大值是20.26毫米。遠(yuǎn)大于其他保險(xiǎn)杠橫梁變形。

圖5 節(jié)點(diǎn)位移圖

圖7 有橡膠保險(xiǎn)杠Z 方向應(yīng)力云圖

圖6 無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠Z方向應(yīng)力云圖

圖8 無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠Z方向應(yīng)變?cè)茍D

圖10 鋼制保險(xiǎn)杠Z方向應(yīng)力云圖

圖11 鋼制保險(xiǎn)杠Z 方向應(yīng)變?cè)茍D

圖9 有橡膠保險(xiǎn)杠Z 方向應(yīng)變?cè)茍D

如圖所示為碰撞開(kāi)始保險(xiǎn)杠橫梁中心節(jié)點(diǎn)位移峰值時(shí)刻的應(yīng)力圖像和應(yīng)變圖像。無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠位移最大值時(shí)刻為0.0548s，有橡膠保險(xiǎn)杠位移最大值時(shí)刻是0.0596s。圖6為無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠位移峰值時(shí)刻Z方向應(yīng)力云圖，圖7為有橡膠保險(xiǎn)杠位移峰值時(shí)刻Z方向應(yīng)力云圖。從圖像可以看出，無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠橫梁應(yīng)變峰值為大于有橡膠保險(xiǎn)杠應(yīng)變峰值。圖8為無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠位移峰值時(shí)刻Z方向應(yīng)變?cè)茍D，圖9為有橡膠保險(xiǎn)杠位移峰值時(shí)刻Z方向應(yīng)變?cè)茍D。由圖8圖9看出，有橡膠保險(xiǎn)杠的應(yīng)變低于無(wú)橡膠保險(xiǎn)杠的應(yīng)變。由于橡膠的作用，延緩了保險(xiǎn)杠位移峰值的出現(xiàn)的時(shí)間，降低了碰撞時(shí)保險(xiǎn)杠橫梁的最大應(yīng)力應(yīng)變，增加了系統(tǒng)整體碰撞時(shí)間。而鋼制保險(xiǎn)杠橫梁最大變形量的最大應(yīng)力是4.71，最大應(yīng)變是12.57%。如圖10和圖11。

4、結(jié)論

1）根據(jù)圖2 可以看出，鋪設(shè)了橡膠層的保險(xiǎn)杠橫梁能夠減少保險(xiǎn)杠橫梁的變形，提高了保險(xiǎn)杠橫梁的抗撞擊性能。

2）本文的研究為改進(jìn)保險(xiǎn)杠橫梁設(shè)計(jì)提供參考。

[1] 李永剛. 碳纖維復(fù)合材料汽車保險(xiǎn)杠的研究[D].沈陽(yáng)理工大學(xué), 2015.

[2] 董銀飛. 汽車復(fù)合材料碰撞吸能裝置設(shè)計(jì)與仿真方法研究[D].山東理工大學(xué),2014.

[3] 張振明. 變厚度復(fù)合材料汽車防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].湖南大學(xué),2014.

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[5] 張偉,鄭鵬飛,劉陳,高原. 動(dòng)態(tài)沖擊荷載作用下橡膠材料吸能率分析[J]. 兵器材料科學(xué)與工程,2012,(05):19-21.

[6] 馬遙. 天然橡膠發(fā)泡材料的制備和結(jié)構(gòu)性能的研究[D].上海交通大學(xué),2007.

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Research and improvement of the bumper beams

Li Yang, Shi Weicheng
( Shanghai maritime university, Shanghai 201306 )

Carbon fiber reinforced polymer (CFRP) is a new kind of composite material, it has excellent performance.Since it has lower quality and higher stiffness than the intensity of energy absorption characteristics and it is suitable for automobile components.Carbon fiber reinforced composite materials can be the advantage of strong convenience to be provided for its used in automobile bumpers.This article in view of the carbon fiber reinforced composite materials and rubber made in the collision of the car bumper beams shows advantage analysis, And compared with the traditional steel bumper beams and carbon fiber composite bumper beams were compared through the ANSYS simulation, using ls-dyna to simulate the bumper model collision. Results show that the layer has a rubber bumper beam deformation is small, excellent performance, meet the requirements.

composite material; Rubber; Bumper; The collision; The simulation

U463.8

A

1671-7988 (2017)10-164-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.057

李洋，就讀于上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院，碩士研究生，研究方向機(jī)械動(dòng)態(tài)性能分析與研究，施偉辰，教授，就職于上海海事大學(xué)物流工程學(xué)院。