張寶杰

河南速達(dá)電動汽車科技有限公司產(chǎn)品工程部 河南省三門峽市 472000

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，世界各國的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，如何在保證安全性和動力性的前提下降低油耗和減少排放是目前汽車工業(yè)迫切需要解決的問題。采用各種輕質(zhì)材料取代金屬等傳統(tǒng)材料，使汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料憑借輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、抗振性能好、抗疲勞、耐腐蝕等眾多優(yōu)點，越來越受到汽車工業(yè)的重視，在汽車中的應(yīng)用也越來越多。碳纖維及其復(fù)合材料是支撐國家高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，經(jīng)過40多年的積累與發(fā)展，我國碳纖維及其復(fù)合材料研發(fā)擁有眾多突破性進(jìn)展，但在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用還遠(yuǎn)落后于航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域。因此有必要分析碳纖維復(fù)合材料在我國汽車工業(yè)應(yīng)用中存在的問題，提出合理的發(fā)展對策，以適應(yīng)汽車工業(yè)對材料發(fā)展的迫切需求。

純電動轎車輕量化的意義：不僅可以節(jié)能減排，而且在同樣的電池重量下，輕量化可以增加電動車的續(xù)駛里程；如保持同樣的續(xù)駛里程，則可以減少電池的重量，這不僅可以減重，還可以大幅度的降低電動車的價格，從而更有利于電動車的推廣應(yīng)用。

2 碳纖維復(fù)合材料的性能特點和使用優(yōu)勢

CFRP泛指由碳纖維和聚合物樹脂復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料，環(huán)氧樹脂CFRP其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。CFRP抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230Gp到430Gpa亦高于鋼，但它的比重卻不到鋼的1/4，僅為1.8；CFRP的比強(qiáng)度達(dá)到2000Mpa以上，而Q235鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa左右，其比模量也比鋼高。CFRP不僅輕而強(qiáng)，輕而鋼而且具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計性好、可大面積整體成型等一系列特點，在汽車輕量化中得到不斷增長的應(yīng)用。CFRP還具有非常卓越的能量吸收性能，從而進(jìn)一步保證了CFRP車輛的安全。CFRP部件比同類鋼質(zhì)零部件減重40%以上，卻能夠提供更高的強(qiáng)度。

表1

3 CFRP前艙蓋總成應(yīng)用實例

4 CFRP前艙蓋剛度分析

4.1 分析目的

分析前艙蓋側(cè)向剛度，保證前艙蓋有足夠的側(cè)向剛度。

4.2 分析軟件

前處理：h y p e r m e s h；求解器：nastran；后處理：hyperview

4.3 模型描述

（1）用10mm對幾何進(jìn)行劃分，網(wǎng)格要保證平順性和均勻性，最小尺寸要保證大于4mm，同時滿足其他網(wǎng)格質(zhì)量要求；（2）前艙蓋的焊點用acm類型單元模擬；（3） 前艙蓋的粘膠用adhesive類型單元模擬；（4）螺栓連接用RBE2單元模擬。

4.4 工況設(shè)置

（1）邊界條件：左右兩個下鉸鏈安裝孔約束123456自由度；加載點約束3自由度。（2）載荷：Bumper點右側(cè)抓取RBE3，區(qū)域為15*15mm，在RBE3中心處Y向加載180N。（3）靜態(tài)分析方法。

4.5 分析結(jié)果及評價標(biāo)準(zhǔn)

分析輸出位移云圖，關(guān)注加載點的Y向位移。加載點Y向位移需要滿足位移小于4mm的評判標(biāo)準(zhǔn) 。

5 CFRP前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析

5.1 分析目的

分析前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度，保證前艙蓋有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。

5.2 分析軟件與模型描述與4.2及4.3相同

5.3 工況設(shè)置

（1）邊界條件：左右兩個下鉸鏈安裝孔約束123456自由度；左邊bumper點約束3自由度。（2）載荷：右邊Bumper對應(yīng)外板50*50mm處均布Z向加載100N。（3）靜態(tài)分析方法。

5.4 分析結(jié)果及評價標(biāo)準(zhǔn)

分析輸出位移云圖，關(guān)注加載點的Z向位移。通過計算得出前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度，扭轉(zhuǎn)剛度K=F*L/arctg(Z/L)，需要滿足扭轉(zhuǎn)剛度大于80Nm/deg的評判標(biāo)準(zhǔn)。

6 CFRP前艙蓋模態(tài)分析

6.1 分析目的

前艙蓋是整車模型的重要組成部分，考察前艙蓋一階彎曲及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

6.2 分析軟件與模型描述與4.2及4.3相同

6.3 工況設(shè)置

（1）邊界條件：自由狀態(tài)；（2）Nastran求解序列SOL103；（3）求解前6階模態(tài)。（4）分析結(jié)果及評價標(biāo)準(zhǔn)：前艙蓋模態(tài)分析作為車身NVH的分析的一部分，在設(shè)計最初確定目標(biāo)值，通過將分析結(jié)果與目標(biāo)值比較，考察前艙蓋一階彎曲模態(tài)及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是否達(dá)到目標(biāo)值要求。

7 分析結(jié)果

7.1 材料信息

材料特性表

7.2 前艙蓋剛度分析結(jié)果

位移（mm） 2.67目標(biāo)值（mm） 4判定 合格

7.3 前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

位移（mm） 3.10扭轉(zhuǎn)剛度（Nm/deg） 223目標(biāo)值（Nm/deg） 80判定 合格

7.4 前艙蓋模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài) 計算值 目標(biāo)值 判定一階扭轉(zhuǎn)（Hz） 35.21 25 合格一階彎曲（Hz） 41.36 34 合格

8 前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度測試

8.1 環(huán)境

試驗在常溫、常壓狀態(tài)下進(jìn)行。

8.2 試驗設(shè)備

利用絲杠加載，由位移傳感器控制位移（分辨率0.01mm）、力傳感器控制加載值（分辨率1N），利用輕量化材料應(yīng)用測試系統(tǒng)（AMM-200-I）采集數(shù)據(jù)，壓頭半徑R30毫米。

8.3 加載條件

（1）約束：鉸鏈處剛性固定；輔助支撐分別選前艙蓋減震墊安裝點A、B，只約束Z向位移。（2）加載點：分別選擇點B、A加載。（3）加載力：從0加載至200N，形成扭轉(zhuǎn)力。

8.4 扭轉(zhuǎn)剛度測試結(jié)果

以前艙蓋減震墊位置衡量，碳纖維發(fā)動機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度為206.35N·m/°。

9 結(jié)語

由分析結(jié)果可知：前艙蓋剛度滿足要求；前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度滿足要求；前艙蓋一階彎曲模態(tài)滿足要求；前艙蓋一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)滿足要求。扭轉(zhuǎn)剛度測試結(jié)果，滿足設(shè)計要求。

扭轉(zhuǎn)剛度測試結(jié)果

扭轉(zhuǎn)裝夾

隨著碳纖維價格的不斷降低和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展成熟，碳纖維復(fù)合材料將會逐漸取代金屬材料，成為車用材料的主力軍。