汽車碳纖維復合材料前車門輕量化設計與分析
日期：2023-02-16
來源：kjcxyyy，中歐SENIA
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新材料碳纖維具有優異的力學性能，較高比重、強度和模量，在滿足相同性能下，具有較大的減重空間，同時也可減少裝配零件數量。在碳纖維結構分析中，定義任一層壓板的力學性能，都能表示成等價的均勻各項異性板元或殼元，運用層壓板的中面應變和曲率理論確定各層的應力。碳纖維復合材料在汽車車門中已開始應用，通過結構設計和鋪層優化在滿足性能和裝配的前提下可實現車門大幅減重。技術方案為內外板集成部分零件，簡化結構特征，取消工藝孔，實現減重目的。整合前車門外板總成，外板A面和周邊配接的安裝孔不變，外層織物單層厚度0.21mm，其余單向帶單層厚度0.145mm。遵循鋪覆對稱，外板鋪層±45°，成對出現，單層數不超總層數60%原則。主外板鋪層為[±45/45/0/-45/90/-45/0/45]；門把手處鋪層為 [±45/45//-45//-45//45]；周邊密封處鋪層為[±45/45///90///45]，如圖 1 所示。碳纖維復合材料車門內板主厚度為2mm，在卡扣接面、門鎖安裝面等處減??；保留定位孔、安裝孔、過孔、安裝面不變；內板與外板膠粘處增厚處理；簡化內板結構，優化鋪覆性；門鎖、鉸鏈和限位器加強板集成到內板一體成型；復材窗框加強板膠粘內板。內板多種鋪層厚度，單層厚度0.145mm，各鋪層為：灰色[-45/0/45/90/45/0/-45]s共14層2.03mm厚；粉紅色[-45/0/45/90/45//-45/-45/0/45/90/45/0/-45]共13層1.885mm厚；大紅色[-45/0/45/90/45//-45]s共12層1.74mm厚；深藍色[-45/0///45//-45]s共8層1.16mm厚；綠色[-45/0//90/45/////45///0/-45]共7層1.015mm；橘黃色[-45////45/0////45////-45]共5層0.725mm；黃色[-45////45///]s共4層0.58mm。車門總成重量8.21kg，減重10.01kg，減重比54.94%，達到輕量化設計目的。通過傳統前車門各工況的性能結果，確定碳纖維復合材料車門需要達到的力學性能。通過hypermesh軟件建立前車門有限元模型，采用分塊處理不等厚模型，各區塊Prop屬性輸入鋪層信息和材料信息。汽車前車門的模態分析主要考察一階彎曲和扭轉模態頻率內外板局部模態，避免發生模態耦合。如表2，從分析結果可知復材方案結構在自由模態和約束模態下各考查模態滿足性能要求。汽車前車門應有足夠的剛度，避免出現大的變形而影響密封性。前門剛度分析為垂直、扭轉、窗框、腰線載荷下的靜剛度，分析結果如圖5和表3所示。從分析結果可知，復材方案各項剛度性能均強于金屬車門，能夠滿足性能要求。前車門結構的靜態強度分析為驗證前車門結構的可靠及耐久性能，通常為過開和下垂靜強度分析。截取白車身模型，全開66度；約束截面和炮塔處SPC1-6；先加載車門自重G分析，其次保持自重G，鎖扣處沿外板面垂向加400N力分析，再次保持自重G，卸載鎖扣處力卸載分析。截取白車身模型，車門微開15°和全開66°工況；約束截面和炮塔處SPC1-6，鎖扣處外板垂向自由度；先加載車門自重G分析，其次保持自重G，鎖扣處Z向加1000N力分析，再次保持自重G，卸載鎖扣處力卸載分析。從分析結果可知，復材方案過開和下垂靜強度性能均強于金屬車門，能夠滿足性能要求。整車側面碰撞按C-NCAP2018新版碰撞法規進行，質量1400kg臺車、速度50km/h的大臂障側面碰撞，考察假人肋骨（1-9點）、腹部（10-13點）和盆骨（14-15點）在車門內板對應點的侵入量和侵入速度。從表6可見，碳纖維復合材料側面碰撞可以達到金屬侵入量和侵入速度性能要求，滿足C-NCAP2018版側面碰撞法規要求。本文對碳纖維復合材料力學能行進行了簡要論述，然后根據碳纖維的特點設計不等厚的碳纖維復合材料前車門總成，并對其進行模態、剛度、靜強度、側碰安全方面進行性能分析，達到減重54.94%的輕量化效果，實現了碳纖維復合材料設計目的要求。
