林枝花

摘 要：本文采用纖維增強復合材料和環(huán)氧樹脂基材料對汽車引擎蓋進行拓撲優(yōu)化，樣品制作和性能分析。根據(jù)實際工況的發(fā)動機罩，最小化目標函數(shù)與質(zhì)量、測試性能指數(shù)的鋼罩前為約束函數(shù)，發(fā)動機罩的纖維增強復合材料等效替代拓撲優(yōu)化。各種工況下的試驗結(jié)果表明，與鋼罩相比，纖維增強復合材料罩的性能提高，復合材料罩的重量變輕。

關(guān)鍵詞：纖維增強復合材料 汽車覆蓋件 材料優(yōu)化

Application of Fiber Reinforced Composite Materials in Automobile Covering Parts

Lin Zhihua

Abstract：In this paper， fiber reinforced composites and epoxy resin-based materials are used to optimize the automobile hood topology， sample making and performance analysis. According to the actual working conditions of the hood， the constraint function of minimizing the objective function and the mass and test performance index of the steel hood front is the constraint function， and the equivalent replacement topology optimization of the hood with fiber-reinforced composite material is achieved. The test results under various working conditions show that， compared with the steel hood， the performance of the fiber reinforced composite hood is improved and the weight of the composite hood is lighter.

Key words：fiber reinforced composite， automobile cover parts， material optimization

隨著人均汽車擁有量的大幅度提升，面對需求量增大，而資源有限的情況下，汽車的輕量化顯得尤為重要。汽車輕量化的優(yōu)點是減少環(huán)境污染，保護公路，和降低汽車各零件間的磨損，間接增長了使用年限而進一步減少了環(huán)境污染。針對以上技術(shù)問題從三個方面著手，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用纖維增強復合材料，還有對工藝參數(shù)進行改進。根據(jù)效果及資金投入程度，一般采用優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來分析汽車產(chǎn)品，碳纖維增強復合材料擁有熱膨脹系數(shù)小、密度低、高比強度與模量、耐高溫、抗疲勞等其他材料無可比擬的新型材料，最高的單根直徑僅為7微米，是高端工業(yè)產(chǎn)品的首選材料。通過優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與新材料的結(jié)合實現(xiàn)最佳性價比。隨著國內(nèi)先進技術(shù)的飛速發(fā)展，針對新材料的優(yōu)化吸引了大批有志者。

盧家海、劉釗等人對汽車保險杠進行優(yōu)化，優(yōu)化后的產(chǎn)品同時擁有了抗撞與輕便。龔有坤等人根據(jù)機械要求對汽車底盤后臂進行了優(yōu)化設(shè)計和工藝研究。也有專家通過對底盤后壁進行工藝優(yōu)化得出，碳纖維后臂與傳統(tǒng)金屬件相比減輕，同時確定熱成型技術(shù)先進科學性。還有專家通過嘗試確定在吸能上，泡沫鋁填充纖維的高性能纖維效果明顯。有的專家確定對將碳纖維增強纖維與鋁蜂窩管工藝相結(jié)合效果更加明顯。還有的專家針對不同的尺寸與隨機轉(zhuǎn)換角度同時配上不同負荷的健壯性拓撲優(yōu)化方法。汽車公司完成對復合材料汽車部件賦予輕便的研究。中國第一汽車有限公司對汽車儀表板梁分別提出了不同厚度的五級和三級儀表板管梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計工藝改進，在輕便的基礎(chǔ)上，同時保證力學性質(zhì)合格。

巴伐利亞機械廠股份有限公司是首輛可批量式生產(chǎn)的同時采用碳纖維增強復合材料的電動車。碳纖維復合材料的使用使常用車重量可控制在1.2t以下。例如山東中企重工車輛有限公司的超輕車采用新型纖維增強復合材料，降低了13米車的重量，溫州飛創(chuàng)汽車科技有限公司打造的四驅(qū)輕量化汽車也是采用新興纖維增強復合材料，通用汽車公司的輕量化的概念車，通過采用的新型纖維增強復合材料使整體車重大大降低。國內(nèi)第一家采用新型碳纖維增強復合材料在汽車上的應(yīng)用是來自于江蘇的一家生產(chǎn)新能源汽車的公司。相對于傳統(tǒng)汽車而言，車重直線下降。

對于社會對輕便型車的追求，也行響應(yīng)國家輕便、環(huán)保、節(jié)能的政策，中國吉林公司骨干們針對采用新型碳纖維增強復合材料在汽車上的使用方面做了深層的展望，并且針對未來幾年甚至幾十年對汽車高端技術(shù)的具體強制性要求。本文在已有基礎(chǔ)上，通過對一種新型纖維增強復合材料進行設(shè)計并進行小樣嘗試。通過力學性能對比分析，通過對比實驗得出針對新型增強復合材料的實驗采用有限元ABAQUS可行的科學性，因此通過采用有限元ABAQUS優(yōu)化方案對新材料發(fā)動機罩的鋪層優(yōu)化升級。

1 新型纖維增強復合材料發(fā)動機罩的設(shè)計方案

常用的發(fā)動機罩通常包括內(nèi)板、外板和夾層。設(shè)計也就針對這三方面來進行。然而，研究發(fā)現(xiàn)這種常規(guī)結(jié)構(gòu)不利于安裝與整車的匹對。在傳統(tǒng)燃油車模型上進行纖維增強復合材料車罩設(shè)計。而讓內(nèi)、外板的結(jié)構(gòu)仍然保持不變，沒有做太多的改變，內(nèi)、外板通過粘結(jié)連接。結(jié)合實驗?zāi)康模瑫r權(quán)衡實驗成本與相關(guān)參數(shù)要求，經(jīng)過多方面對比分析，同時考慮到配備度問題，最終材料定為碳纖維增強復合材料與玻璃纖維增強復合材料，其中把碳纖維增強復合材料作為實驗的主要成分，而將玻璃纖維增強復合材料作為次要材料，之所以這樣安排是由碳纖維增強復合材料與玻璃增強復合材料的力學性質(zhì)所決定的，新型玻璃纖維增強復合材料中僅含有三分之一的碳纖維，同時它的伸展性較高些，這樣就是新型玻璃纖維增強復合材料在受到外界力時更容易變形，從而大大提高了整輛車的匹配度。

反設(shè)計在芬蘭設(shè)計大師認為，反設(shè)計可以理解為沒有設(shè)計的設(shè)計，反設(shè)計蘊含著自然、純粹、優(yōu)美。本文就采用反設(shè)計的理念進行實驗。讓發(fā)動機的表面維持原狀，只是對內(nèi)板部件進行設(shè)計升級。讓發(fā)動機罩的外板控制在不大于2毫米總厚度進行設(shè)計升級，內(nèi)板按比外板少0.3毫米的總厚度進行設(shè)計，同時保證內(nèi)外板厚度相等。以鋼罩為基礎(chǔ)，重新設(shè)計纖維增強復合材料罩的幾何模型。

2 鋼制材料發(fā)動機的機罩力學性能試驗

根據(jù)新型纖維增強復合材料引擎蓋拓撲優(yōu)化所需的邊界約束條件、前后點扭轉(zhuǎn)、側(cè)向、彎曲剛度，進行了一系列的試驗。通過實驗，測量了各種工況下的主要力學性能指標。

扭轉(zhuǎn)彎曲試驗是模擬測試的發(fā)動機罩抵抗變形的能力被子彈擊中后，這種先后通過兩個緩沖塊關(guān)閉時刻承受扭轉(zhuǎn)載荷;橫向剛度測試是模擬，當鎖允許安裝公差范圍內(nèi)，內(nèi)部仍有可能受到側(cè)向力鎖封閉罩時，當汽車猛然加速、突然急剎車，或者在轉(zhuǎn)彎時，汽車的慣性負荷對引擎蓋施加一個沖擊力，彎曲剛度試驗是為了抗變形效果，模擬引擎蓋在合攏時受到鎖所施加的垂直力時的抗變形效果，通過試驗獲得其整體彎曲剛度參數(shù)。而模態(tài)試驗可獲得引擎蓋的模態(tài)信息用以遠離低頻共振。

2.1 對緩沖塊的約束與加載

根據(jù)汽車行業(yè)的測試標準，在扭轉(zhuǎn)彎曲實驗測試時，局部坐標系的發(fā)動機的機罩，6自由度鉸鏈和z方向的平移自由度對緩沖塊的約束，和80n負荷應(yīng)用于左派的z緩沖塊。在橫向剛度測試中，對左右緩沖塊鉸鏈的6個自由度和z向平移自由度進行約束，伺服液壓系統(tǒng)對鎖存器施加250N載荷。在彎曲剛度測試中，對左右緩沖塊鉸鏈的6自由度和z向平移自由度進行約束，并在鎖存處z向施加200N的載荷。在自由模態(tài)試驗中，在夾具上掛上發(fā)動機的機罩鉸鏈，借助的工具時抗拉扯的高性能橡膠繩，在發(fā)動機罩內(nèi)外板表面分別均勻墊20和26個單向加速度傳感器。由激振器激發(fā)發(fā)動機罩內(nèi)板的中央前端。

2.2 對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由模態(tài)分析

通過對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析能驗證實驗測試結(jié)果的有效性，模態(tài)是其中的一種，即可以通過模態(tài)進行分析論證，經(jīng)對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)分析，對結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在易受損壞的頻率的界限進行標注，來保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常使用。再通過有限元仿真分析得出發(fā)動機罩整體扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)測試值。

2.3 通過橫向剛度分析模擬慣性負荷

汽車發(fā)生方向轉(zhuǎn)動時，對發(fā)動機罩上的慣性負荷進行模擬。在仿真實驗過程中，將引擎蓋鉸鏈固定，鎖頭一側(cè)施100N的力，對處在閉合狀態(tài)下的引擎蓋變形系統(tǒng)分析。將引擎蓋的兩支點與鉸鏈的樞軸位置進行暫時性固定，約束住除繞橫向軸旋轉(zhuǎn)度外的所有自由度，同時把前端支點僅約束為垂直位移。在此工況下進行有限元仿真分析和實驗分析。

2.4 對引擎蓋的扭轉(zhuǎn)剛度進行科學分析

引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析的目的是為了測試在引擎蓋關(guān)閉時，在整輛車的垂直力作用下，引擎蓋的抗變形能力。

得知有限元分析值和樣品測試值，纖維增強復合材料可滿足設(shè)計要求。同時發(fā)動機罩質(zhì)量降低。橫向與扭轉(zhuǎn)剛度在不同范圍內(nèi)提高，得出新型材料在輕量化上效果有優(yōu)勢。通過有限元模擬值比較，驗證了新型纖維增強復合材料有限元建模方法的有效性。

3 纖維增強復合材料

測試驗證結(jié)果表明，對于發(fā)動機罩的剛度和模態(tài)性能上，新材料完全滿足要求，性能指標改善在一定程度上與原鋼發(fā)動機罩相比。在強度和剛度滿足要求的情況下，進一步對設(shè)計方案進行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計包括設(shè)計目標、變量和約束三個要素。設(shè)計目標與變量是優(yōu)化過程中的一種參數(shù)。通過改變變量找到最優(yōu)解，從而提高結(jié)構(gòu)性能。目標函數(shù)作為評價指標，約束條件是對設(shè)計變量進行改變時所施加的約束。在優(yōu)化設(shè)計中，可以把單層厚度、鋪放方向、順序作為變量。每個參數(shù)可以作為變量優(yōu)化，罩內(nèi)外板結(jié)構(gòu)已確定，纖維增強的剪切形狀大小已確定，并基于初始纖維設(shè)計中每層厚度，改變纖維層方向。在本文中，鋪層厚度與角度作為優(yōu)化設(shè)計變量。

（1）優(yōu)化設(shè)計目標：優(yōu)化設(shè)計是在保證基本性能下，改變纖維層厚和層間角度，實現(xiàn)輕便。所以通過以引擎蓋的最小質(zhì)量作為優(yōu)化設(shè)計的目標函數(shù)，繪制優(yōu)化迭代過程中的引擎蓋質(zhì)量變化曲線來進行設(shè)計優(yōu)化。（2）優(yōu)化設(shè)計變量：對單層光纖鋪設(shè)厚度和角度的參數(shù)進行聯(lián)合優(yōu)化。光纖鋪設(shè)讓內(nèi)外板鋪設(shè)反對稱。（3）優(yōu)化設(shè)計約束：纖維復合材料發(fā)動機罩的約束條件應(yīng)滿足發(fā)動機罩的剛度、強度和振動頻率等性能要求。受客觀條件影響，以原鋼發(fā)動機的機罩為參考基準。

4 結(jié)語

參照新型增強復合材料疊層板的力學原理，發(fā)動機罩的自由模態(tài)，扭轉(zhuǎn)與橫向剛度計算，并與鋼材質(zhì)相比，表明新型纖維增強復合材料的使用遮光罩的設(shè)計與原來的金屬板內(nèi)外罩，其模態(tài)、彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度值都有一定提升，重量急劇下降。充分展示了復合材料用于車身覆蓋物的明顯優(yōu)勢，驗證了實際應(yīng)用的可行性。在保證基本性能的前提下，對復合材料引擎蓋進行優(yōu)化，使其重量進一步降低，充分發(fā)揮了纖維復合材料在汽車輕量化方面的明顯優(yōu)勢。

參考文獻：

[1]王登峰，盧放.基于多學科優(yōu)化設(shè)計方法的白車身輕量化[J].吉林大學學報：工學版，2015，45（1）：29-37.

[2]楊天云，張晴朗，楊兵.CAE在汽車座椅輕量化設(shè)計中的應(yīng)用[J].精密成形工程，2012，4（1）：73-77.

[3]沙云東，賈秋月，駱麗.纖維增強復合材料軸結(jié)構(gòu)鋪層方案優(yōu)化設(shè)計[J].航空動力學報，2016，31（12）：2933-2940.

[4]段尊義.纖維增強復合材料框架結(jié)構(gòu)拓撲與纖維鋪角一體化優(yōu)化設(shè)計[D].大連：大連理工大學運載工程與力學學部，2016.