晏紫 徐希宇 李能文 李永祥

摘 要：文章以提升某款車型IIHS頂壓性能為目標，進行連續(xù)碳纖維增強復合材料B柱加強件的設(shè)計，并通過有限元分析軟件Hypermesh與Ls-dyna完成5種典型結(jié)構(gòu)形式加強件的性能對比。5種截面分別為（a）與鈑金加強板隨形、（b）與內(nèi)板隨形、（c）拱型、（d）“凹”型與（e）帽型。對裝配有相同鋪層的這5種加強件的B柱進行截面分析并選用B柱子系統(tǒng)在IIHS頂壓工況下橫向?qū)Ρ绕涑休d能力。研究發(fā)現(xiàn)，帽型結(jié)構(gòu)截面積最大，其抗彎及抗軸向變形能力最強，承載能力最優(yōu)，可為后續(xù)碳纖維加強件設(shè)計優(yōu)化提供參考。

關(guān)鍵詞：連續(xù)碳纖維增強復合材料;B柱加強件;截面形式

中圖分類號：U465.6 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-120-04

Abstract： In order to improve the IIHS roof strength performance of a certain vehicle， the B-pillar reinforcements of continuous carbon fiber reinforced composite materials were designed. The performance comparison of five typical structural forms of reinforcement was completed through the finite element analysis software Hypermesh and LS-DYNA. The five cross-sections of reinforcements are （a） conformed to the sheet metal reinforcement plate， （b） conformed to the inner plate， （c） arched， （d） concave-shaped and （e） hat-shaped. The section analysis of B pillar with these 5 kinds of reinforcements was carried out and the B-pillar subsystem was selected to compare its load-bearing capacity laterally under the IIHS roof crash condition. It is found that the hat-shaped structure has the largest cross-sectional area， the strongest bending and axial deformation resistance， and the best bearing capacity， which can provide reference for the subsequent design optimization of carbon fiber reinforced parts.

Keywords： Continuous carbon fiber reinforced composite; B-pillar reinforcement; Section form

CLC NO.： U465.6 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-120-04

前言

各國陸續(xù)出臺的日益嚴苛的汽車排放標準對車身輕量化提出了更高的要求。為保證在大幅減重的同時汽車安全性能不減弱，在飛機上已大量應用的復合材料進入了汽車行業(yè)的視野[1]。在眾多的復合材料中，連續(xù)碳纖維增強樹脂基復合材料又以其優(yōu)異的綜合性能，極低的密度脫穎而出[2]。國內(nèi)外已有許多主機廠成功地將碳纖維增強樹脂基復合材料應用于制造車身外覆蓋件及功能件，但在結(jié)構(gòu)件上卻鮮少應用[3]。這主要是由于連續(xù)碳纖維增強復合材料具有各向異性，與各向同性的鈑金相比，結(jié)構(gòu)設(shè)計更為復雜，設(shè)計過程中需考量的因素更多，設(shè)計難度更大。但考慮到碳纖維復合材料杰出的比強度與比剛度，替代現(xiàn)有的鈑金結(jié)構(gòu)件勢必能達到較好的減重效果，因此連續(xù)碳纖維增強復合材料結(jié)構(gòu)件在車身上具有較好的前景與應用價值。

B柱是車身框架上主要承力結(jié)構(gòu)之一，諸多研究人員在進行車頂壓潰試驗全局敏感度分析時發(fā)現(xiàn)汽車B柱結(jié)構(gòu)對車頂強度的貢獻度最大[4-5]，因此提高B柱結(jié)構(gòu)的強度必然能有效提升車頂抗壓能力。各大主機廠均致力于用最低的成本、最少的重量來有效提升B柱區(qū)域的承載能力，其中最常見的方式即為增加加強件。目前應用最為廣泛的是各類高強鋼制加強件，對于更為輕質(zhì)的連續(xù)碳纖維增強復合材料加強件還處于初期研究階段。在結(jié)構(gòu)件的設(shè)計中，結(jié)構(gòu)形式是決定結(jié)構(gòu)件作用效果至關(guān)重要的因素之一[6]。本文以某車型考慮IIHS法規(guī)下的頂壓性能提升而設(shè)計開發(fā)的碳纖維復合材料B柱加強件為例，對連續(xù)纖維增強復合材料加強件的結(jié)構(gòu)形式進行分析。

1 設(shè)計背景

在車身設(shè)計時，理想的B柱強度分布應該為上硬下軟[7]，以確保在各種工況下，車身上部變形小，乘員的生存空間足夠，頭胸部不至于受到較大的損傷，下部變形大，盡可能多的吸收能量。在頂壓工況下， IIHS評分較低的車型往往是B柱中上部出現(xiàn)較大折彎，下部變形小。本文選擇的某車型在頂壓工況下的變形情況也是如此，圖1所示為該車型IIHS頂部壓潰試驗的仿真分析結(jié)果，B柱中段內(nèi)板處發(fā)生明顯折彎。因此 需要進一步加大B柱上部強度、剛度與穩(wěn)定性，在B柱中上部增加加強件。

本文所選車型B柱結(jié)構(gòu)如圖2所示，B柱加強件的設(shè)計邊界為熱成型鋼制 B柱加強板與普通鋼制B柱內(nèi)板，上部空間還需考慮安全帶加強板的安裝。碳纖維結(jié)構(gòu)加強件設(shè)計時需要兼顧車身性能、工藝成形性、成本、輕量化等諸多因素。其材料、生產(chǎn)工藝與結(jié)構(gòu)設(shè)計息息相關(guān)，本文選擇較為成熟的預浸料模壓工藝。因此，圓角半徑、表面特征（加強槽、下陷等）、孔位尺寸、脫模斜度等均需滿足一定的設(shè)計要求[8]。車身結(jié)構(gòu)件要求有較高的強度并應能隨白車身進行電泳烘烤，本文選用預浸料的增強相為T700級單向連續(xù)碳纖維，基體為高Tg的熱固性環(huán)氧樹脂，單層厚度0.135mm，共22層，即總厚度為2.97mm，據(jù)此可計算出圓角半徑及孔位等特征的設(shè)計極限值。

加強件與周邊零件的連接也會直接影響到結(jié)構(gòu)的整體性能。碳纖維與鈑金間的連接形式有膠接、機械連接與混合連接，機械連接會帶來電化學腐蝕、打孔破壞纖維連續(xù)性并產(chǎn)生應力集中，造成很多性能、成本上的問題，設(shè)計時將連接形式初步定為膠接，其可靠性還需通過后續(xù)驗證。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計與截面分析

連續(xù)纖維增強復合材料加強件結(jié)構(gòu)設(shè)計時在借鑒金屬結(jié)構(gòu)加強件設(shè)計經(jīng)驗，確保與周邊零件間載荷傳遞流暢且合理的同時還應考慮充分利用連續(xù)纖維增強樹脂基復合材料的可設(shè)計性與優(yōu)異的沿纖維方向的性能。作為汽車行業(yè)的先驅(qū)者，寶馬提供了很好的先導作用，率先將連續(xù)碳纖維復合材料加強件廣泛應用于7系當中。碳纖維被用來加強車頂框架、側(cè)圍、B柱/C柱、中通道、門檻與后窗臺板。其中，碳纖維側(cè)圍前上加強板為管狀結(jié)構(gòu)，膠接于鈑金件上，加強整個側(cè)圍上端;碳纖維B柱加強板采用與B柱鈑金加強板隨形的結(jié)構(gòu)形式，粘接于鈑金件上來增強B柱區(qū)域[9-10]。這也是目前最常見的兩種碳纖維增強復合材料汽車結(jié)構(gòu)件的設(shè)計形式：增強單個零件與增強整個腔體。

根據(jù)這兩種設(shè)計思路，本文基于某款車型共設(shè)計了5種結(jié)構(gòu)形式的碳纖維復合材料B柱加強件。為便于對比，各方案的長度、厚度及鋪層均一致。

2.1 方案一：直接加強B柱加強板

如圖3（a），結(jié)構(gòu)一以與鈑金加強板隨形的結(jié)構(gòu)形式來增強。除難成型的復雜特征及孔位處開孔避讓，其他位置碳纖維加強件均通過膠膜與鈑金加強板緊密貼合。

2.2 方案二：直接加強B柱內(nèi)板

如圖3（b），結(jié)構(gòu)二加強較為薄弱的內(nèi)板，以與鈑金內(nèi)板隨形的結(jié)構(gòu)形式來增強，在孔位處開孔避讓，對于內(nèi)板上一些復雜特征，考慮到預浸料的鋪覆性，將特征變平緩或直接去除。

2.3 方案三：加強B柱腔體

如圖3（c）-（e），增強腔體結(jié)構(gòu)時選取了3種典型開口截面形式：拱型（結(jié)構(gòu)三）、“凹”型（結(jié)構(gòu)四）及帽型（結(jié)構(gòu)五）。拱型與帽型加強件均粘接于內(nèi)板上，凸向鈑金加強板，在頂壓工況時凸起段會與B柱加強板接觸，從而將整個腔體一分為三，實現(xiàn)截面單腔向多腔的轉(zhuǎn)變，既能有效傳遞力又能使加強結(jié)構(gòu)本身最大化吸能?！鞍肌毙图訌娂辰釉诩訌姲迳?，向內(nèi)板凸起，設(shè)計時需避讓安全帶安裝加強板。各種異形結(jié)構(gòu)設(shè)計時需兼顧可制造性與裝配便利性，圓角處平滑過渡，避免形成尖銳棱角導致后續(xù)加工時產(chǎn)生制造缺陷從而影響性能。

截面分析采用Hypermesh軟件中的Hyperbeam模塊，坐標系選用截面的相對坐標系，原點為截面形心，x軸為截面法向。各結(jié)構(gòu)A-A截面如圖5。截面特性常用以下幾個參數(shù)表征：截面積A，截面慣性矩Iy、Iz，慣性積Iyz，截面主慣性矩Iv、Iw及截面扭轉(zhuǎn)常數(shù)It、截面彎曲常數(shù)Iww，這些參數(shù)能夠衡量截面的抗彎能力。分析結(jié)果如表1所示，加強內(nèi)板的方案（結(jié)構(gòu)二）Iy、Iv、It最大，表明其繞截面Y軸抗彎、最小抗彎能力及抗扭能力較強，帽型加強件的截面（結(jié)構(gòu)五）A、Iz、Iw、Iww最大，表明其抗軸向變形能力、繞截面Z軸抗彎抗扭及最大抗彎能力均較強。

3 性能驗證

結(jié)構(gòu)形式的選擇最終還需以目標工況的仿真結(jié)果為指導。對各結(jié)構(gòu)的性能對比采用Ls-dyna求解器模擬分析。由于整車頂壓仿真計算量較大，而復合材料零件設(shè)計優(yōu)化迭代涉及到結(jié)構(gòu)、鋪層等諸多方面，優(yōu)化的輪數(shù)往往較多，所需時間相對金屬件的設(shè)計也較長，因此，為了在設(shè)計前期能較快確定初步的結(jié)構(gòu)形式，提升設(shè)計效率，常將加載速率放大并截取局部進行橫向?qū)Ρ?。本文選擇單邊B柱子系統(tǒng)進行仿真分析。該子系統(tǒng)除圖2所示結(jié)構(gòu)外還包含左側(cè)門檻構(gòu)件以及部分側(cè)圍外板、左A柱及頂蓋件。加載條件按照IIHS頂部壓潰試驗條件設(shè)定，與整車仿真完全一致。局部仿真時為使局部變形情況與整車仿真類似，即下端幾乎不變形，將下部約束由試驗要求的門檻板底部上移至B柱內(nèi)板中下段，如圖6（a）所示。對比圖6（b）與圖一可見該子系統(tǒng)模型在IIHS工況下B柱變形與整車中B柱變形非常接近。將仿真所得壓板反力的峰值作為評價各結(jié)構(gòu)的力學性能的指標。

頂壓工況下B柱上部既承受軸向力又承受彎矩與扭矩，因此碳纖維加強件鋪層包含0°，90°，+45°和-45°四個方向，軸向（整車坐標系下Z向）為纖維主軸方向，共鋪設(shè)22層，鋪層滿足對稱原則且為提升結(jié)構(gòu)抗沖擊性及穩(wěn)定性外表面為±45°鋪層，五種結(jié)構(gòu)件保持同種鋪層，鋪層秩序為[45°/-45°/90°/-45°/0°/0°/45°/0°/45°/-45°/90°/]s，仿真所用預浸料材料參數(shù)與膠的參數(shù)均為材料廠家提供的材料卡片，分析時選用較為保守的應變失效準則。觀察各結(jié)構(gòu)加強件的失效形式及壓板上承受的最大反力。

結(jié)構(gòu)一-五在頂部壓板向下加載127mm的過程中達到最大應變時刻的應變云圖如圖7所示，應變多集中于圓角特征處，除與內(nèi)板隨形的結(jié)構(gòu)二以外，其他四種結(jié)構(gòu)的加強件均在圓角處發(fā)生縱向開裂，裂紋從上端向下端延伸，結(jié)構(gòu)件失效無法繼續(xù)承載。達到最大應變的時刻也是整體結(jié)構(gòu)承受力值最大的時刻。與內(nèi)板隨形的結(jié)構(gòu)二各部位所受應變較為均勻，遠小于其他幾種結(jié)構(gòu)，未發(fā)生明顯失效。在整個仿真過程中，膠后于加強件失效，表明膠接足夠可靠，無需變更連接方式。

各結(jié)構(gòu)在頂壓工況下的壓板反力-位移曲線如圖8，仿真結(jié)果見表2。壓板最大反力由強到弱依次為：帽型結(jié)構(gòu)、與內(nèi)板隨形結(jié)構(gòu)、“凹”型結(jié)構(gòu)、與鈑金加強板隨形結(jié)構(gòu)、拱型結(jié)構(gòu)、原鈑金結(jié)構(gòu)。帽型結(jié)構(gòu)承載能力最強，最大反力值為27231.1N，相對原始鈑金結(jié)構(gòu)的18600.3N，提升了46.4%，拱型結(jié)構(gòu)承載能力最弱，僅提升了7.2%。與鈑金加強板隨形結(jié)構(gòu)及拱型結(jié)構(gòu)與原鈑金結(jié)構(gòu)承載力隨時間變化的趨勢相近，與內(nèi)板隨形結(jié)構(gòu)及帽型結(jié)構(gòu)都在承載力達到最大值后迅速下降，這是由于B柱區(qū)域整體到達承載極限后上端發(fā)生折彎，無法持續(xù)傳遞較大力值。“凹”型結(jié)構(gòu)達到峰值力的時刻晚于其他幾種結(jié)構(gòu)，表明該結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性較強。