劉志雷

河北工業(yè)職業(yè)技術大學 河北石家莊 050091

近年來，能源危機和環(huán)境污染，使汽車輕量化顯得尤為重要，碳纖維復合材料（CFRP）由于其優(yōu)越的力學性能，如高機械強度和彈性模量、低密度、耐熱性、可設計性，在汽車結構中被廣泛應用。國內外學者對其在汽車結構上的輕量化設計均進行了相關研究。因此，以碳纖維預成型板材的實際應用情況、耐久性分析為基礎，不斷改良優(yōu)化設計方案，可以逐漸提升碳纖維材料的應用效率，在提升碳纖維技術水平的同時，對制造行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 參數(shù)確定與模型構建

1.1 碳纖維復合材料參數(shù)確定

研究為保證工程常數(shù)準確性，以力學性能實驗數(shù)據為基礎，圍繞環(huán)氧樹脂、碳纖維兩種材料的抗拉強度、彈性模量、密度等情況進行分析，如表1所示。將勾兌好的材料注入B柱鋪設磨具中，具體為將環(huán)氧樹脂兩種調劑按照4:1的質量進行混合，隨后加入到RTM中，等到磨具內的碳纖維完全濕潤后，再放置到烘干箱內固化3小時以上[1]。等到碳纖維復合板材成型后，利用ASTM試驗標準，將其調整至特定形狀以供后續(xù)的力學測試，本次研究的試驗機型號為WANCE-ETB-B。由于碳纖維復合材料的應變系數(shù)較小，如果采用傳統(tǒng)的應變測試計算體系，容易產生諸多誤差，本次試驗為保證測量系統(tǒng)的應變、力學性能測試準確性，將采用0°至90°拉伸測試，0°至90°壓縮測試，以及±45°的剪力測試。

表1 碳纖維復合材料參數(shù)情況

1.2 碳纖維復合材料有限元建模

碳纖維復合材料有限元模型的建立，要應用CATLA軟件，將復合材料的各類參數(shù)信息輸入到軟件中，對數(shù)據信息進行網絡劃分，對同性材料與各向異性材料進行匯總，其中B柱總成的外板材質為DC54D鋼，該材料的密度為7.90g/cm3，泊松比為0.34，彈性模量為220GPa；碳纖維復合材料采用膠粘方式，結構膠的彈性模量為0.9GPa，材料的密度為1.37g/cm3，泊松比為0.36。因此本次研究采用具有對稱性的鋪層方案，將鋪層總厚度設定為4.8mm[2]。

2 結構優(yōu)化設計

2.1 自由尺寸優(yōu)化

確定B柱總成的碳纖維復合板材質后，還要對應用尺寸進行優(yōu)化，由于B柱的應用質量與耐久性與板材厚度存在直接關系，想要保證一定范圍的耐久度，便會對板材厚度提出嚴格要求，然而厚度逐漸提升，也會增加整體車身重量，對駕駛效果與油料損耗構成影響。因此要保證所有單元格處于最佳厚度，這樣才能保證駕駛安全的基礎上，最大化的降低車輛油耗[3]。將碳纖維復合料按照SMEAR方式進行鋪層，得到預成型板材的平均力學性能系數(shù)，隨后針對加強版的尺寸、厚度調整優(yōu)化，公式如下：。

上述公式中，將t設定為鋪層的優(yōu)化厚度，本次優(yōu)化選擇常用的0°，±45°，90°四個角度鋪層作為超級層，根據模擬和整合，最終求出B柱總成的鋪層優(yōu)化厚度，根據優(yōu)化目標建立約束條件。

2.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化指的是根據自由尺寸優(yōu)化后得到的超級層厚度，對B柱總成的鋪層形狀進行確認，可以將所有超級層由j個小層級組成，從而對整個有限元模型進行簡化，保證所有小層級的具體厚度處于超級層優(yōu)化范圍內，具體的優(yōu)化變量公式為：

本次優(yōu)化將每個超級層由四個小層級進行表示，因此將j取值為4，可以簡化為16個小層級。結合超級層與小層級的厚度變化，計算碳纖維復合板在拉伸、側向彎曲、后向彎曲等情況下的應力變化，并且將原有的鋼制B柱板材的試驗結果作為約束條件，也就是針對不同測試條件下鋼制B柱總成與碳纖維B柱總成的變化進行對比[4]。

2.3 鋪層角度次序優(yōu)化

對于碳纖維板的應用性能來說，鋪層厚度、鋪層角度都會形成直接影響，因此還要對鋪層角度進行次序優(yōu)化，通過對不同的鋪層厚度、鋪層角度方案進行搭配，測試得出最優(yōu)的應用方案，保證碳纖維B柱板的性能得到強化，優(yōu)化變量公式如下：

2.4 剛度結果對比

結合優(yōu)化設計方案，對碳纖維混合預成型B柱板進行制作，將初始鋼化B柱板材，利用碳纖維復合板材制作初始鋪層的板材，以及使用先進復合材料制作B柱板的板材進行綜合對比，針對外板厚度、加強板厚度、外板質量、加強板質量、扭轉模態(tài)、彎曲模態(tài)、軸向變形、后向變形、側向變形等項目進行綜合對比，結果如表2所示。

表2 剛度對比結果

結合數(shù)據結果能夠看出，無論是4.8mm對稱鋪層方案制成的B柱總成，還是采用全新碳纖維復合材料制作的B柱總成，各類項目的應用數(shù)據均優(yōu)于原始鋼制B柱總成，而且全新碳纖維復合板材的質量更輕，扭轉模態(tài)效果更好，彎曲模態(tài)、軸向變形、后向變形、側向變形不存在過剩問題，材料得到充足應用，可以發(fā)揮出B柱總成的結構性能作用，優(yōu)化結果比較理想[5]。

3 整車側碰仿真分析

3.1 基于LS-DYNA模型建立

應用LS-DYNA進行整車側碰仿真分析，進一步驗證以碳纖維復合材料為鋪層材料的B柱總成應用性能，分別針對裝有鋼制板材的車輛以及碳纖維復合板材的車輛進行碰撞測試，加強版與外板采用膠連接方式，保持B柱與其他相鄰部件的連接關系牢靠，與原版鋼制B柱總成的連接方式相同。本次模型賦予50km/h的初始速度，計算時間為15s，通過對車輛碰撞中的動能、內能、能量曲線變化情況進行匯總，同時還要結合沙漏能數(shù)值，驗證計算碰撞過程中是否處于能量守恒，保證B柱總成碰撞測試結果的準確性。根據測試結果來看，采用碳纖維復合材料的B柱加強板的整車碰撞后最大位移為1260mm，而原始車輛采用鋼制B柱板的整車碰撞后最大位移為1295mm，從車輛位移情況來看，碳纖維復合板的整車碰撞效果優(yōu)于未經改良的鋼制B柱板，采用碳纖維復合板后，結構減重為77.5%，與鋼板B柱對比，強度增加2.8%，變形比例減小13.9%。

3.2 整車側碰結果分析

針對整車碰撞后的數(shù)據展開深入分析，以兩種材質B柱總成的侵入量與侵入速度作為參數(shù)，具體情況如表3所示。

表3 B柱侵入量及速度

根據上述數(shù)據可知，對于原鋼制（DC54D鋼）B柱總成與碳纖維復合（CFRP）B柱總成，B柱上部的動態(tài)侵入量為51.21mm與48.26mm，B柱下部的動態(tài)侵入量為104.55mm與99.21mm，變化情況均能看出碳纖維預成型板材的應用效果良好，同時結合動態(tài)侵入速度來看，B柱上部的動態(tài)侵入速度為9.28m/s與9.26m/s，B柱下部的動態(tài)侵入速度為9.21m/s與8.95m/s，上部與底部的動態(tài)侵入速度較為遲緩，可以最大化的保證車輛整體架構，提升對車內駕駛乘坐人員的安全保障。

與此同時，結合測試車輛內假人的頭部、上肋、中肋、下肋、腹部等受力情況，也可以對兩種材質B柱板的應用質量展開對比，根據結果可以看出，采用碳纖維預成型的B柱板應用效果均優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼制B柱板，在動態(tài)侵入量以及動態(tài)侵入速度兩個方面都得到準確體現(xiàn)。

對于B柱的動態(tài)侵入速度來講，帶有碳纖維復合材料B柱加強板的整車側面碰撞速度與金屬B柱加強板的整車側面碰撞的速度相差不大，而且在中部的速度變化趨勢要更趨于平緩。對應假人的頭部、上肋、中肋、下肋、腹部的動態(tài)最大侵入量和最大侵入速度的對比，由對比結果可以分析，碳纖維復合材料加強板方案B柱總成上，假人對應的最大侵入量總體比原金屬方案小，最大侵入速度趨于均值，有利于對假人的保護。

4 結語

綜上所述，碳纖維復合材料的應用，對現(xiàn)代制造行業(yè)的工藝革新具有良好的推動作用，尤其是汽車制造行業(yè)，為滿足車輛重量輕、安全系數(shù)高、成本低的綜合要求，必須在材料應用中作出調整優(yōu)化，B柱總成是維系車輛框架穩(wěn)定性的主要部分，采用碳纖維成型板進行替換，可以取得良好的應用成果。本文針對碳纖維B柱板的應用性能進行測試，首選闡述復合材料的參數(shù)與模型構建，其次提出結構設計優(yōu)化方案，最后進行整車側碰仿真分析，結果如下：采用碳纖維復合板后，結構減重為77.5%，與鋼板B柱對比，強度增加2.8%，變形比例減小13.9%，多個方面均說明碳纖維預成型板具有良好應用價值，且耐久性良好。