朱增余　江晶晶　范冬冬　趙春　侯亞卓

摘 要：本文以汽車(chē)前門(mén)作為研究對(duì)象，以碳纖維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及鋪層形式進(jìn)行研究。經(jīng)過(guò)仿真分析表明，碳纖維前車(chē)門(mén)的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度都得到了明顯的提升，在滿足性能要求的基礎(chǔ)上，重量得到了減輕，實(shí)現(xiàn)了輕量化的目的。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料 前車(chē)門(mén) 輕量化 模態(tài)識(shí)別

1 引言

近年來(lái)，使用復(fù)合材料已經(jīng)成為汽車(chē)輕量化的重要措施，也更加貼合一直倡導(dǎo)的汽車(chē)環(huán)?；?jié)能化發(fā)展趨勢(shì)，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的前進(jìn)方向。碳纖維復(fù)合材料是以碳纖維為增強(qiáng)材料，以樹(shù)脂、金屬、陶瓷為基體材料，經(jīng)過(guò)復(fù)合成型制成的復(fù)合結(jié)構(gòu)材料，與傳統(tǒng)的金屬材料相比，其具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕、抗疲勞、便于設(shè)計(jì)、易于大面積整體成型等優(yōu)點(diǎn)。

應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料是目前解決燃油車(chē)和新能源汽車(chē)減重的最好途徑之一，可使汽車(chē)減重30%～60%。碳纖維復(fù)合材料已在高端車(chē)，超跑，賽車(chē)，改裝車(chē)，限量版車(chē)型以及少量的電動(dòng)車(chē)上大量應(yīng)用，主要應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)身，制動(dòng)器襯片，燃料貯罐，座椅加熱墊，傳動(dòng)軸，輪轂等部位。

2 復(fù)合材料力學(xué)性能

復(fù)合材料具有非均勻的力學(xué)性能且強(qiáng)度和剛度性能表現(xiàn)為各向異性與隨機(jī)性;復(fù)合材料相比于傳統(tǒng)金屬材料而言其單位質(zhì)量的強(qiáng)度和模量高，承載能力好，在滿足相同性能下，具有較大的減重空間，同時(shí)也可減少零件數(shù)量。因此，選擇使用復(fù)合材料制造車(chē)門(mén)，是汽車(chē)輕量化的重要手段之一。

3 復(fù)合材料汽車(chē)前車(chē)門(mén)力學(xué)性能分析

在有限元分析中，為了減少網(wǎng)格數(shù)量，只選擇其中的結(jié)構(gòu)件來(lái)做分析。

3.1 復(fù)合材料前車(chē)門(mén)有限元模型建立

復(fù)合材料在車(chē)門(mén)上已經(jīng)開(kāi)始使用，通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和鋪層優(yōu)化在滿足性能和裝配的前提下可實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)大幅減重。技術(shù)方案為內(nèi)外板集成部分零件，簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)特征，取消工藝孔，實(shí)現(xiàn)減重目的。

在有限元前處理軟件中，通過(guò)復(fù)合材料建模模塊支持的Ply+Stack方式可以定義出非常直觀的復(fù)合材料鋪層。在Ply卡片中可以精確定義每一層鋪層的鋪層區(qū)域以及每一鋪層的厚度，每一層的鋪層屬性定義完成之后，用Stack卡片將定義完成的Ply卡片按照一定排列順序疊加在一起，通過(guò)這兩種卡片就可以實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的精確的可視化定義。其有限元模型如圖1所示。

3.2 復(fù)合材料前車(chē)門(mén)模態(tài)分析

按照識(shí)別信號(hào)域的不同可將結(jié)構(gòu)模態(tài)的識(shí)別方法劃為頻域方法、時(shí)域方法和時(shí)頻域方法。其中，頻域類(lèi)方法是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)換為頻域上的信號(hào)，進(jìn)行模態(tài)識(shí)別的方法;時(shí)域方法是直接根據(jù)結(jié)構(gòu)的實(shí)測(cè)時(shí)間響應(yīng)在模態(tài)中識(shí)別，主要識(shí)別參數(shù)包括振動(dòng)頻率、阻尼和振型等。本次主要研究車(chē)門(mén)局部模態(tài)頻率，避免發(fā)生模態(tài)耦合，引起共振。 模態(tài)分析結(jié)果如表1至表4所示：

3.3 復(fù)合材料前車(chē)門(mén)剛度分析

汽車(chē)前車(chē)門(mén)應(yīng)該有足夠的剛度，避免出現(xiàn)大的變形而影響車(chē)門(mén)的密封性，其中車(chē)門(mén)的剛度分析如表5所示。

3.4 復(fù)合材料前車(chē)門(mén)強(qiáng)度分析

通過(guò)前車(chē)門(mén)的靜強(qiáng)度分析可以驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的耐久性與可靠程度，此次通過(guò)車(chē)門(mén)過(guò)載全開(kāi)分析來(lái)校核車(chē)門(mén)強(qiáng)度。

工況一：

車(chē)門(mén)開(kāi)啟到最大角度，結(jié)構(gòu)帶車(chē)門(mén)鉸鏈，限位器。從車(chē)身上車(chē)門(mén)的鉸鏈安裝點(diǎn)出發(fā)，分別沿正負(fù)X向和Y向截取約400mm的白車(chē)身有限元模型，在白車(chē)身斷面約束SPC123。首先，在局部坐標(biāo)系下的鎖扣位置約束車(chē)門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)車(chē)門(mén)施加1G重力，接著保持重力，釋放車(chē)門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，在鎖芯處沿車(chē)門(mén)開(kāi)啟方向施加載荷225N;再次保持重力，卸載鎖芯處的載荷，進(jìn)行分析。

工況二：

車(chē)門(mén)開(kāi)啟到最大角度，結(jié)構(gòu)帶車(chē)門(mén)鉸鏈，限位器和車(chē)門(mén)有限元模型。從車(chē)身上車(chē)門(mén)的鉸鏈安裝點(diǎn)出發(fā)，分別沿正負(fù)X向和Y向截取約400mm的車(chē)身有限元模型，在白車(chē)身斷面約束SPC123。首先，在局部坐標(biāo)系下的鎖扣位置約束車(chē)門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，對(duì)車(chē)門(mén)施加1G重力，接著保持重力，釋放車(chē)門(mén)轉(zhuǎn)動(dòng)，在鎖芯處沿車(chē)門(mén)開(kāi)啟方向施加載荷0.48*L（其中L為鎖芯到上下鉸鏈軸連線的垂直距離）;再次保持重力，卸載鎖芯處的載荷，進(jìn)行分析。

4 復(fù)合材料前車(chē)門(mén)輕量化與結(jié)果對(duì)比

通過(guò)模態(tài)分析結(jié)果可知，復(fù)合材料的前車(chē)門(mén)響應(yīng)分析識(shí)別出前車(chē)門(mén)一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為57.56Hz，一階彎曲模態(tài)為55.76Hz，均滿足NVH的目標(biāo)要求。通過(guò)之前計(jì)算分別得到了復(fù)合材料的靜態(tài)剛度性能與自由模態(tài)下個(gè)模態(tài)振動(dòng)頻率。整個(gè)復(fù)合材料車(chē)門(mén)重量為11.29kg，鋼鐵材料車(chē)門(mén)為15.451kg，在滿足實(shí)際要求的基礎(chǔ)上，減重4.161kg。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能行進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述，并對(duì)其模態(tài)、剛度、靜強(qiáng)度方面進(jìn)行性能分析，與鋼鐵材料車(chē)門(mén)性能參數(shù)對(duì)比，得出復(fù)合材料車(chē)門(mén)的性能優(yōu)于鋼鐵材料車(chē)門(mén)，對(duì)比鋼鐵材料車(chē)門(mén)和復(fù)合材料輕量化車(chē)門(mén)的質(zhì)量，車(chē)門(mén)減輕了4.161kg 的質(zhì)量，輕量化率達(dá)到了 26.9%，達(dá)到減重的輕量化效果，實(shí)現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料減重設(shè)計(jì)的目的要求。

項(xiàng)目來(lái)源：該項(xiàng)目為廣東省重點(diǎn)領(lǐng)域研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目2019B090911003;肇慶市對(duì)接國(guó)家和省重大科研項(xiàng)目專(zhuān)項(xiàng)2018K004。

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