摘" 要：汽車輕量化不僅有利于降低環(huán)境污染，而且還能夠提升汽車的安全環(huán)保性能，為研究新型復(fù)合材料玄武巖纖維應(yīng)用于汽車零部件可以優(yōu)化性能、減輕質(zhì)量，該文以玄武巖纖維復(fù)合材料來設(shè)計(jì)汽車部件之一的車頂，并運(yùn)用ABAQUS對其進(jìn)行仿真分析，對比其性能相較于其他輕量化材料和金屬材料的優(yōu)劣。該分析可為新型復(fù)合材料應(yīng)用于汽車零部件設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輕量化；汽車車頂；玄武巖纖維；仿真分析；頂蓋設(shè)計(jì)

中圖分類號：U465.6" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號：2095-2945（2024）17-0042-05

Abstract： Lightweight automobile can not only reduce environmental pollution， but also improve the safety and environmental protection performance of automobile. In order to study that the application of new composite basalt fiber in automobile parts can optimize the performance and reduce the quality， this paper uses basalt fiber composite to design the roof of one of automobile parts， and uses ABAQUS to simulate and analyze it， and compares its performance compared with other lightweight materials and metal materials. This analysis can provide a reference for the application of new composites in the design of automobile parts.

Keywords： lightweight; car roof; basalt fiber; simulation analysis; roof design

當(dāng)前，不僅對汽車外觀造型和品質(zhì)性能有著較高的要求，同時也更加重視汽車的節(jié)能減排和減重降耗，以此來符合國家的綠色環(huán)保發(fā)展的戰(zhàn)略方針。相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，汽車整車質(zhì)量每降低10%，消耗的燃料可以降低6%～8%[1]。汽車輕量化不僅有利于降低環(huán)境污染，而且還能夠提升汽車的安全環(huán)保性能，為未來汽車發(fā)展提供了明確的方向。因此對于汽車輕量化材料及制造工藝進(jìn)行分析很有必要。

汽車輕量化的手段主要包括結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，對新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用以及對更先進(jìn)的制造工藝的探索[2]。其中采用輕質(zhì)材料可以直接從根本上降低汽車各零部件的質(zhì)量，是汽車輕量化技術(shù)中最直接的方法[3]。復(fù)合材料以其優(yōu)良的性能，輕量化、綠色環(huán)保的優(yōu)勢，進(jìn)入人們的視野，也逐漸應(yīng)用于汽車零部件。本文以玄武巖纖維復(fù)合材料來設(shè)計(jì)汽車部件之一的車頂，并對其進(jìn)行仿真分析，對比其性能相較于其他輕量化材料和金屬材料的優(yōu)劣。

1" 玄武巖纖維材料的特點(diǎn)和性能

玄武巖纖維具有重量輕、強(qiáng)度高、電絕緣、耐腐蝕、耐高溫、防水和隔音隔熱等多種優(yōu)點(diǎn)。此外，玄武巖纖維的生產(chǎn)工藝決定了產(chǎn)生的廢棄物少，對環(huán)境污染小，且產(chǎn)品廢棄后可直接在環(huán)境中降解，無任何危害，具有可持續(xù)利用的特點(diǎn)，符合環(huán)保低碳的發(fā)展趨勢。玄武巖纖維已被我國列為重點(diǎn)發(fā)展的4大纖維之一[4]。玄武巖纖維的綜合力學(xué)性能較好，具有較高的拉伸強(qiáng)度和抗壓縮、抗剪切性能，并且應(yīng)用成本較低[5]。目前，玄武巖纖維主要嘗試運(yùn)用于汽車座椅、門板、頂棚等部件，玄武巖纖維門板和頂棚，能夠有效地減低噪音，具有隔熱效果，可提高舒適性和安全性。

2" 汽車頂蓋設(shè)計(jì)

2.1" 設(shè)計(jì)思路及數(shù)據(jù)來源

新型復(fù)合材料目前在汽車上的應(yīng)用主要以碳纖維為主，大多應(yīng)用于后視鏡殼、內(nèi)飾門板、內(nèi)飾面板、門把手、排擋桿、賽車座椅和空氣套件等，現(xiàn)在進(jìn)氣風(fēng)箱、進(jìn)氣歧管以及部分高檔車型（奔馳SLS AMG）的傳動軸也開始使用碳纖維。原計(jì)劃設(shè)計(jì)汽車頂蓋，包括頂蓋外板、前后橫梁、橫向加強(qiáng)梁，但基于梁的材料不變、新型復(fù)合材料主要運(yùn)用于外板的特點(diǎn)，簡化模型，只建立外板部件模型。根據(jù)之前調(diào)研的結(jié)果，車頂屬于外覆蓋件，沖壓成型。目前車頂?shù)牟牧弦琅f以鋼材為主，往鋁合金方向發(fā)展，基于成本的限制，鋁合金和其他新型材料使用相對較少，材料的厚度整體來看，大約為0.5～3.0 mm，厚度根據(jù)車身不同部位的受力特點(diǎn)會有所不同，外板一般為0.65～0.7 mm，加強(qiáng)板一般為1～1.2 mm。鑒于網(wǎng)格劃分的特點(diǎn)，此次車頂模型設(shè)計(jì)厚度設(shè)置為1 mm，模型基本尺寸參考比亞迪秦EV實(shí)車尺寸，前后弧度弦長1 400 mm，左右弧度弦長1 000 mm（前部1 080 mm、中部970 mm、后風(fēng)窗位置1 040 mm）。

2.2" 汽車頂蓋外板設(shè)計(jì)

運(yùn)用UG建立部件模型，建立的模型如圖1所示。

鑒于汽車頂蓋外板結(jié)構(gòu)簡單，直接運(yùn)用ABAQUS進(jìn)行有限元分析，通過外部建模完成幾何模型構(gòu)建之后，導(dǎo)入ABAQUS完成所有分析，包括前處理、求解、后處理。有限元模型如圖2所示。

3" ABAQUS前處理設(shè)置

3.1" 定義材料屬性

在ABAQUS-Property模塊中創(chuàng)建材料屬性，此次仿真分析對比了結(jié)構(gòu)鋼、碳纖維和玄武巖纖維3種材料，因此需要設(shè)定3種材料屬性，結(jié)構(gòu)鋼的性能參數(shù)見表1，復(fù)合材料力學(xué)性能參數(shù)見表2，車用纖維一般是熱固性樹脂基纖維布復(fù)合材料，碳纖維選用T300，力學(xué)性能數(shù)據(jù)來源查閱文獻(xiàn)所得[6-7]，玄武巖纖維參數(shù)來源于文獻(xiàn)[8]。中航工業(yè)商用發(fā)動機(jī)有限責(zé)任公司運(yùn)用三維機(jī)織角連鎖織物制造大型商用發(fā)動機(jī)葉片，陳志明[9]在《三維角聯(lián)鎖織物基本力學(xué)性能及其變形行為分析》一文中對該織物的基本力學(xué)性能及其變形行為進(jìn)行簡單的研究分析。原來的二維層合復(fù)合材料，抗剪切強(qiáng)度低、抗沖擊能力也比較弱，學(xué)者們在20世紀(jì)70年代提出的三維機(jī)織技術(shù)很好地解決了這一問題，三維角聯(lián)鎖織物是一種具有優(yōu)良力學(xué)性能的周期性結(jié)構(gòu)，因此本文中選用三維角聯(lián)鎖織物作為研究的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)。朱超等[10]在《三維角聯(lián)鎖機(jī)織鋪層復(fù)合材料的拉伸性能與失效機(jī)制》一文中探討了單層厚度對復(fù)合材料拉伸性能以及失效機(jī)制的影響，結(jié)果表明，復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度隨著單層厚度的增大而顯著增加，而且文獻(xiàn)中選用的單層纖維布的最小厚度是0.8 mm，因此此次仿真的單層鋪層厚度統(tǒng)一設(shè)置為0.8 mm。

3.2" 網(wǎng)格系統(tǒng)構(gòu)建

在ABAQUS-Mesh模塊下進(jìn)行網(wǎng)格劃分，考慮到載荷的加載情況，因此劃分網(wǎng)格前需要進(jìn)行模型切分，運(yùn)用創(chuàng)建拆分命令在車頂劃分出2個300 mm×130 mm的區(qū)域作為人的踩踏區(qū)域，模擬一個100 kg的人雙腳站立在車頂?shù)那樾蝃11]。劃分出的區(qū)域如圖3所示。

模型切分完成后進(jìn)行全局網(wǎng)格尺寸布種、劃分網(wǎng)格，確定網(wǎng)格的數(shù)量，注意網(wǎng)格的質(zhì)量，如果質(zhì)量不好還應(yīng)進(jìn)行二次網(wǎng)格劃分。單元類型保持默認(rèn)，為S4R，然后進(jìn)入Assembly模塊，創(chuàng)建裝配體。至此，網(wǎng)格系統(tǒng)構(gòu)建完成。

3.3" 定義載荷和邊界條件

車頂外板是通過焊接的方式連接在車頂橫梁和車身上的，因此四周采用完全固定的約束，車頂劃分出的區(qū)域模擬人站立的情形，加垂直車頂載荷Pressure 0.025 MPa，加載完成后的模型如圖4所示。

4" 仿真結(jié)果及分析

4.1" 靜力學(xué)分析

運(yùn)用靜力通用分析步，設(shè)定場輸出（應(yīng)力和位移云圖），求解器求解計(jì)算，輸出分析結(jié)果，應(yīng)力云圖、位移云圖如圖5所示。

對于纖維復(fù)合材料層合板來說，影響其性能的不僅有鋪層結(jié)構(gòu)，還有鋪層角度。因此為了獲得最佳的力學(xué)性能，要對纖維進(jìn)行不同角度鋪層組合的嘗試，從而達(dá)到一定程度的層組優(yōu)化[12]。對于3層鋪層的角度分別嘗試了[0/45/-45]、[0/45/90]、[45/0/-45]、[90/0/45]4種情況，4層鋪層的角度嘗試了[0/45/-45/90]、[0/90/45/-45]、[45/-45/0/90]、[90/0/45/-45]4種情況，得到的數(shù)據(jù)詳見表3、表4、表5。綜合對比之后，選擇[0/45/-45]的3層鋪層角度組合和[90/0/45/-45]的4層鋪層角度組合（圖5中復(fù)合材料場輸出分別展示）。

4.2" 模態(tài)分析

汽車行駛時，路面不平以及發(fā)動機(jī)、傳動系統(tǒng)和車輪等旋轉(zhuǎn)部件均可引發(fā)汽車振動。通常路面不平是汽車振動的基本輸入，振動頻率范圍約為0.5～25 Hz。

3種材料模型的模態(tài)分析振型圖如圖6所示。

3種材料6—11階固有頻率見表6。

從模態(tài)分析振型圖可以看出，3種材料的自由模態(tài)振型高度相似，前6階模態(tài)近乎剛體模態(tài)，幾乎無變形，從第7階開始出現(xiàn)1個基點(diǎn)的輕微扭轉(zhuǎn)變形，從第9階開始出現(xiàn)了2個基點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)變形，從第11階開始出現(xiàn)了3個基點(diǎn)的扭轉(zhuǎn)變形。玄武巖纖維和結(jié)構(gòu)鋼各階的最大位移矢量差不多，碳纖維的最大位移矢量較玄武巖纖維、結(jié)構(gòu)鋼大，尤其在低階模態(tài)時大很多，說明其在自由模態(tài)時相同放大倍數(shù)的變形較大；從前20階的固有頻率來看，碳纖維大于玄武巖纖維大于結(jié)構(gòu)鋼，說明玄武巖纖維的彈性處于二者之間。

5" 結(jié)論

從靜力學(xué)分析數(shù)據(jù)可以看出，3種材料均滿足設(shè)計(jì)要求，碳纖維和玄武巖纖維這2種復(fù)合材料在鋪層3層的情況下性能已經(jīng)優(yōu)于結(jié)構(gòu)鋼，碳纖維密度更小，因此更輕，但碳纖維成本高，柔韌性也沒有玄武巖纖維好，如果選用玄武巖纖維鋪層2.4 mm的情況下，車頂?shù)馁|(zhì)量將減重14.4%。從模態(tài)分析的數(shù)據(jù)可以看出，玄武巖纖維層合板的剛度和結(jié)構(gòu)鋼板材差不多，彈性更好，相比較結(jié)構(gòu)鋼，在相同工作條件的激勵下，更不容易發(fā)生共振。研究結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移云圖分布狀態(tài)的特點(diǎn)，找出應(yīng)力集中和容易破壞的地方，可以為后續(xù)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提供理論性指導(dǎo)[13]。后續(xù)如果有條件可以做實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證此次仿真的數(shù)據(jù)，并優(yōu)化汽車頂蓋模型。

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