覃炳恒

摘 要：輕質(zhì)非金屬材料在車身和開閉件的應用，是實現(xiàn)整車減重和節(jié)能減排的重要技術(shù)手段。本文將碳纖維增強復合材料應用于某車型的頂蓋，首先考慮復合材料與傳統(tǒng)鈑金材料的區(qū)別，根據(jù)汽車頂蓋特定要求以及實際生產(chǎn)工藝進行頂蓋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。通過CAE技術(shù)分別對碳纖維頂蓋的剛度性能、白車身模態(tài)、抗凹性能進行分析，并與傳統(tǒng)鈑金工藝的頂蓋的性能進行對比。結(jié)果表明，碳纖維增強復合材料汽車頂蓋的質(zhì)量比原始鋼制件減輕了45%，同時各項性能均滿足工程要求。

關(guān)鍵詞：復合材料碳纖維;汽車頂蓋;模具設(shè)計

1 引言

汽車輕量化技術(shù)作為節(jié)能減排的重要技術(shù)手段引起了廣泛的關(guān)注以及研究應用。而復合材料，尤其是碳纖維增強復合材料（CFRP）作為新型輕量化材料具有密度小，屈服強度和抗拉強度都顯著高于金屬材料的優(yōu)點[1]。碳纖維增強復合材料在航空航天以及軍工領(lǐng)域得到了廣泛應用，目前也是汽車輕量化材料中最具潛力的新型材料之一[2]。各大主機廠及研究機構(gòu)大力展開針對碳纖維復合材料的汽車零部件設(shè)計。

本文主要以汽車頂蓋為研究對象，通過采用碳纖維增強復合材料替代傳統(tǒng)金屬材料，設(shè)計新型碳纖維頂蓋結(jié)構(gòu)以及生產(chǎn)工藝流程，并且進行性能仿真驗證其安全性能是否滿足要求。

2 碳纖維材料的特點和性能

碳纖維樹脂基復合材料（CFRP）是由增強材料碳纖維與樹脂復合制成的新型材料，表1為典型的CFRP的主要力學性能參數(shù)[3]。

與傳統(tǒng)金屬材料相比，碳纖維復合材料應用在汽車輕量化設(shè)計上具有明顯的優(yōu)勢。主要表現(xiàn)在：1）密度小、強度高，CFRP在汽車常用材料中比強度和比模量最高。2）韌性好，具有良好的碰撞吸能能力和抗沖擊性。3）阻尼高，抗振性能好，具有良好的減振隔音效果，提高舒適性。4）材料抗疲勞性能優(yōu)異，延長零部件使用壽命5）耐熱性、抗腐蝕、抗輻射能力極佳;6）成型工藝較多，可設(shè)計性好，易于實現(xiàn)零部件一體化設(shè)計[4-5]。

3 碳纖維復合材料頂蓋設(shè)計

傳統(tǒng)汽車頂蓋具有板材薄、曲面面積大和表面質(zhì)量要求高等特點。鈑金成形經(jīng)過多道工序沖壓才能完成，包括拉延、修邊、翻邊和沖孔等。同時傳統(tǒng)鈑金頂蓋需覆蓋由多種隔音毛氈、聚氨酯泡沫、聚乙烯泡沫等組成的汽車頂棚以實現(xiàn)隔音、隔熱和防撞的需求[6]。

由于復合材料的特殊性以及相對于鈑金件制造工藝的差異。本文在碳纖維頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計中，設(shè)計了區(qū)別于傳統(tǒng)鈑金頂蓋的碳纖維頂蓋工藝方案，以達到精簡工藝步驟，減少制造成本的效果。

3.1 碳纖維頂蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化

3.1.1 頂蓋與前擋玻璃總成匹配截面

如圖1所示，碳纖維頂蓋與前擋玻璃面厚度與本體做成一致，厚度為2.0mm。為消除成型負角，將前端立面設(shè)計為Z向5°，前端呈“V”形口。同時碳纖維頂蓋與頂蓋前橫梁用結(jié)構(gòu)膠連接，避免損害部件。搭接面預留1mm涂膠間隙。

3.1.2 頂蓋與天窗總成匹配方案

如圖2所示為碳纖維頂蓋與天窗膠條匹配截面，將兩者局部的料厚t設(shè)計為1.3mm;同時碳纖維頂蓋與天窗加強框用結(jié)構(gòu)膠連接。

3.1.3 頂蓋與尾門總成、尾門密封膠條匹配方案

為消除實際成型過程中產(chǎn)生的負角，頂蓋需分成兩個部件，使用結(jié)構(gòu)膠進行連接。同時使用銷、孔做定位，便于實際生產(chǎn)。

3.2 碳纖維頂蓋工藝方案

碳纖維頂蓋在實際生產(chǎn)及裝配過程中與鈑金件頂蓋存在明顯差異。為設(shè)計的碳纖維頂蓋工藝方案。本文基于實際項目進行產(chǎn)線試生產(chǎn)制造以及實車裝配，碳纖維頂蓋裝配成單獨的總成后，與完成涂裝后的白車身，在總裝車間裝配成完整的白車身。實際結(jié)果表明本工藝方案生產(chǎn)效率較高。

4 性能仿真

碳纖維增強復合材料的力學性能與纖維的編制結(jié)構(gòu)以及鋪層方式密切相關(guān)。碳纖維增強復合材料CAE仿真分析的難點之一[7]。本文根據(jù)試驗所得的材料性能數(shù)據(jù)對碳纖維頂蓋模型進行性能驗證分析，分別選取2.0和2.8mm的碳纖維頂蓋模型，并與傳統(tǒng)鈑金頂蓋進行對比。

4.1 剛度性能分析

對碳纖維頂蓋板厚進行剛度性能分析。自由尺寸應力分布云圖和分析結(jié)果見圖4和表1。

4.2 白車身模態(tài)分析

對不同的頂蓋材質(zhì)（鋼、碳纖維）及其板厚進行白車身模態(tài)分析。

仿真結(jié)果如表2所示，表明碳纖維頂蓋對尾門菱形框模態(tài)下降4.3Hz;彎曲、扭轉(zhuǎn)、前艙橫擺、頂蓋等模態(tài)稍有降低。

4.3 抗凹性能

分析碳纖維頂蓋抗凹性能是否滿足要求，并與金屬頂蓋抗凹性能作對比。仿真結(jié)果如表3所示：碳纖維頂蓋的抗凹性能優(yōu)于金屬頂蓋。

4.4 整車強度

為評估碳纖維頂蓋的整車強度性能表現(xiàn)。將頂蓋外板由鈑金件換成碳纖維材料，分析其整車強度應力，并與原狀態(tài)對比，評估其風險及安全性能，見圖5。

仿真結(jié)果顯示，碳纖頂蓋方案相比量產(chǎn)傳統(tǒng)鈑金方案，整車整體應力水平變化較小，滿足整車強度要求。

5 結(jié)論

本文針對碳纖維增強復合材料的新型汽車頂蓋進行研究。首先根據(jù)復合材料與傳統(tǒng)鈑金材料的區(qū)別，考慮汽車頂蓋要求以及生產(chǎn)工藝進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，重點考慮車身連接出的截面設(shè)計。然后通過CAE技術(shù)分別對剛度性能、白車身模態(tài)、抗凹性能以及整車性能進行分析，并對比傳統(tǒng)鈑金頂蓋的性能。從試驗結(jié)果可以看出，新型碳纖維復合材料在減重45%的同時，其各項性能仍滿足車身設(shè)計要求。

項目資助信息：柳州市科學研究與技術(shù)開發(fā)計劃（柳科計字2017第19號）資助項目。項目名稱：汽車纖維增強塑料覆蓋件設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)（2017AA10104）

項目資助信息：湖南省創(chuàng)新型省份建設(shè)專項資助項目，項目名稱：新能源汽車復合材料零部件研發(fā)及智能制造示范平臺建設(shè)項目（2019XK2104）

參考文獻：

[1]喬鑫，夏天，李紅，祝振林.汽車頂蓋復合材料前橫梁鋪層多目標優(yōu)化設(shè)計[J].汽車工藝與材料，2019（12）：8-12.

[2]孫文龍，基于耐撞性的碳纖維/聚丙烯夾層板結(jié)構(gòu)優(yōu)化及應用研究[D].吉林大學，2019.

[3]楊濟世，栗娜，孫東陽，段瑛濤，胡寧，寧慧銘. 碳纖維/玻璃纖維混編編織復合材料頂蓋中橫梁三點彎強度分析[J].重慶大學學報，2019，42（02）：72-81.

[4]段瑛濤，張肖肖，王智文，栗娜，李文博，單永彬，王盛琪.編織復合材料頂蓋中橫梁結(jié)構(gòu)設(shè)計及性能驗證[J].汽車工藝與材料，2019（01）：51-55.

[5]肖志，杜慶勇，莫富灝，韋凱，楊旭靜，邢楊.碳纖維增強復合材料汽車頂蓋鋪層優(yōu)化[J].汽車工程，2017，39（06）：722-728.

[6]陳乾乾. 碳纖維復合材料汽車頂蓋的性能研究[C]，2016中國汽車工程學會年會論文集. 2016：1531-1533.

[7]廖勇.基于OptiStruct碳纖維復合材料頂蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2016，29（01）：26-28.