碳纖維復合材料引擎蓋的輕量化設計
世界鋁業協會指出，汽車質量每減少10%，可降低6%~8%的油耗。同時在汽車工業中，汽車輕量化有助于傳統發動機汽車降低油耗或電動汽車增加里程數，這也是促進汽車節能減排的重要手段之一。在各種應用于結構輕量化設計的輕質高強的新型材料當中，碳纖維復合材料具有比強度和比剛度高的明顯優勢，同時其具有良好的耐熱性和抗酸堿腐蝕性以及較低的熱膨脹系數，良好的比吸能等優勢，是汽車外飾件及內飾件輕量化設計的首要選擇。
汽車引擎蓋是汽車車身的重要組成部分，具有保護發動機、隔離噪聲等功能。碳纖維復合材料用于汽車引擎蓋的設計中，可以實現汽車引擎蓋輕量化，并有效降低車身質量。隨著國內外碳纖維復合材料制造技術和工藝技術、數值仿真技術的快速發展，針對汽車碳纖維復合材料引擎蓋的結構及工藝設計優化吸引了大量研究者投身其中。
汽車碳纖維復合材料引擎蓋的鋪層結構設計及對于單層級工程常數對引擎蓋整體剛度存在明顯影響。段成金等設計了碳纖維與玻璃纖維鋪層的層間混雜三明治夾心結構(3K碳纖維平紋編織布作為表層，玻璃纖維布作為內部鋪層)用于汽車引擎蓋構件，該汽車引擎蓋構件的質量僅為2.75kg，和原金屬汽車引擎蓋相比質量減少4kg。研究結果表明，層間混雜三明治夾心結構鋪層設計實現了成本可控且結構強度滿足碳纖維復合材料引擎蓋鋪層結構設計的需求。李浩利用ABAQUS軟件對碳纖維復合材料引擎蓋進行了計算機輔助工程(CAE)設計，通過靜態模型分析發現碳纖維復合材料單層級四個工程常數(E1、E2、v12、G12)與碳纖維復合材料引擎蓋剛度存在一定相關性，其影響效果排序為：G12＞E2＞E1＞v12。
本文以汽車碳纖維復合材料引擎蓋為研究對象，采用碳纖維復合材料替換金屬材料，以層合板理論為力學數值模擬CAE設計基礎，利用ABAQUS軟件對單層級試樣準靜態拉伸試驗和典型U形梁結構準靜態三點彎試驗進行仿真，然后進行了臺架模態及抗凹剛度工況測試。采用概念設計、材料性能試驗和工藝設計多階段聯合優化設計的方法，最終在滿足各種力學性能和制造工藝要求的前提下，實現碳纖維復合材料引擎蓋輕量化設計。
1 試驗材料及方法
1.1 試驗材料與結構
試樣采用日本東麗公司生產的T700SC12K碳纖維，表層為12K斜紋編織結構，內層為[0/90]軸向編織布；采用德國NiroCell公司生產的TL2009AC /TL2009BC環氧樹脂體系作為基體，采用真空輔助樹脂灌注工藝制備單層級試樣及元件。
1.2 試驗方法與參數定義
汽車碳纖維復合材料引擎蓋單層級試樣準靜態拉伸試驗通過Instron5982萬能材料試驗機進行，分別測量單向材料0°拉伸并與CAE仿真對標，驗證單層級試樣的仿真偏差。
汽車碳纖維復合材料引擎蓋典型U形梁結構準靜態三點彎試驗通過Instron5982萬能材料試驗機進行，分別測量[0°/90°]交替鋪層拉伸性能并與CAE仿真對標，驗證典型結構試樣的仿真偏差。
汽車碳纖維復合材料引擎蓋部件級試驗通過臺架試驗進行，分別針對元件進行臺架模態試驗，臺架外板抗凹試驗，驗證并考核汽車碳纖維復合材料引擎蓋的安全。其中臺架模態試驗標定方法參見GB/T11349.2—2018《機械導納的試驗確定用激振器作單點激勵測量》中6.4。
本次試驗目的是測試其自由模態，即試驗對象在任一坐標上都不與地面相連，可以放在支架上或利用柔索將試件吊起，或在實際支承條件下進行試驗。首先安裝試件以及激振器和傳感器，然后連接激振器與激勵信號源通道，再連接測量通道與數據采集處理通道，進行激勵系統和測量系統調試。其次是測量和數據采集處理系統的現場系統標定。標定時，測量系統各儀器單元的參數應與試驗時參數設置一致。通過預試驗檢查系統運行是否正常，激勵點和測量點位置是否合適。最后采集數據，對參數進行辨識，計算模態頻率。
1.3 有限元建模
有限元建模使用的材料性能參數如表1所示。
其余連接件材料參數如表2所示。
2 結果與討論
2.1 CAD設計及鋪層設計
圖1為常規金屬引擎蓋內外板示意圖?；谇捌贑AE設計結果、材料屬性和減重要求，確定碳纖維復合材料引擎蓋設計選擇如下：去除內板加強板，保留車身鉸鏈，鉸鏈加強板，鎖扣加強板區域原金屬模型和材料。碳纖維復合材料引擎蓋整體設計如圖2所示。
圖3及圖4為碳纖維復合材料引擎蓋內外板示意圖。碳纖維復合材料引擎蓋外板采用6層單向帶加最外表面一層斜紋織物的鋪層方案，總厚度1.62mm；碳纖維復合材料引擎蓋內板采用4層單向帶，總厚度0.88mm。鋪層信息如表3所示。
根據復合材料的結構特點在碳纖維復合材料引擎蓋內外板添加折彎導潰區以及搭接區，其中導潰區為2層鋪層(4層減半)，搭接區為8層鋪層(4層對稱)，碳纖維復合材料引擎蓋內外板示意圖鋪層次序以及各層角度如表3所示。
2.2 準靜態拉伸試驗結果與仿真
網格劃分是建立在有限元模型上的中心工作，模型的合理性在很大程度上由網格形式決定，在劃分網格時應盡量避免使用小尺寸單元，這是由于小尺寸單元會極大降低時間步長，從而使模擬需要更長的時間。本文采用4節點積分單元，從而避免了特殊幾何模型導致的極限步長偏小的問題。
準靜態拉伸試驗和仿真數值對比如圖5所示，由圖5可知：仿真與試驗載荷位移曲線趨勢相一致；最大載荷非常接近，CAE分析值為37.24kN，試驗值為36.69kN，CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為1.50%；位移形變也較為接近，CAE分析值為3.14mm，試驗值為3.19mm，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.57%。試驗與仿真存在一定偏差的主要原因：拉伸模量受失效分析方法影響較大，仿真分析模量基于固定載荷下的微小形變，而試驗采用載荷衰減失效方式計算。
2.3 準靜態三點彎試驗結果與仿真
準靜態三點彎試驗和仿真數值對比如圖6所示，由圖6可知：仿真彎曲與試驗載荷位移曲線趨勢相一致；U形梁的最大載荷非常接近，CAE分析值為3600N，試驗值為3594N，CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為0.17%；U形梁的位移形變也較為接近，CAE分析值為12.03mm，試驗值為11.87mm，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.34%。仿真與試驗出現偏差主要來源于兩方面：一方面，三點彎曲跨距值取決于樣板厚度，成型前后比復合材料板材厚度變化稍有差異，而仿真計算則通過單層層合板疊加鋪層，最終跨距計算存在誤差；另一方面，彎曲上下壓頭表面與測試樣板之間存在固有摩擦，屬于系統誤差。
2.4 模態及抗凹試驗結果與仿真
模態試驗設備一般包括激勵系統、測量系統和數據采集處理系統三部分，基本配置如圖7所示。
自由模態試驗的測試夾具如圖8所示，由圖8可知：發動機蓋處于關閉狀態，車身鉸鏈SPC1~6，鉸鏈旋轉軸可繞y向旋轉；車身側支撐桿SPC1~6，鎖扣SPC23，內板前端4個bumper點SPC3。在底部臺架安裝激勵，采集監測點(3個)激勵響應。實際模態試驗3個監測點響應曲線分別在37.5、37.0、38.0Hz第一次出現波峰。
碳纖維復合材料引擎蓋的模態試驗CAE仿真結果如圖9所示?；贑AE分析發動機蓋第一階彎曲模態頻率為37.7Hz。實際模態試驗3個監測點響應曲線分別在37.5、37.0、38.0Hz第一次出現波峰，所以碳纖維復合材料引擎蓋實際模態試驗的第一階彎曲模態頻率為37.5Hz。碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析發動機蓋第一階彎曲模態頻率與實際第一階彎曲模態頻率的偏差為0.53%。
抗凹剛度試驗的測試夾具如圖10所示，按照圖10所示在外板關注點(P1至P7)上采用25mm×25mm的方形壓頭，垂直載荷150N然后對卸載的邊界條件進行約束。
碳纖維復合材料引擎蓋外板的抗凹試驗CAE仿真結果如圖11所示?；贑AE分析發動機蓋外板P4點位移CAE分析最大值為7.847mm，外板實際試驗P4點位移試驗最大值為7.57mm，CAE分析結果與實際結果的偏差為3.7%。
表4為碳纖維復合材料引擎蓋外板抗凹試驗7個點CAE分析結果與實際結果的對比。與試驗相比較，CAE分析結果相對偏小，最大偏差和最小偏差分別為39.2%(P1)和3.7%(P4)。試驗與仿真存在一定偏差的主要原因：仿真測試的固定較為理想化，而試驗中采用的聯合加載卡具存在螺栓滑絲因素，影響整體受力效果；另一方面仿真施加力過于理想，直接作用樣品，而試驗通過夾具與樣品之間的摩擦間接施加縱向彎曲力。
3 結語
本文采用概念設計、材料性能試驗和工藝設計多階段聯合優化設計的方法，最終在滿足各種力學性能和制造工藝要求的前提下，實現碳纖維復合材料引擎蓋輕量化設計，通過相關模擬結果和設計試驗對比，結論如下。
(1)碳纖維復合材料在汽車引擎蓋的應用中，材料級試驗結果與仿真結果偏差較小：準靜態拉伸試驗—仿真的數值仿真與試驗載荷位移曲線趨勢相一致，最大載荷非常接近，碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為1.50%，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.57%；準靜態三點彎試驗和仿真數值對比類似，碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為0.17%，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.34%。
(2)碳纖維復合材料引擎蓋的模態試驗CAE仿真結果表明，碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析發動機蓋第一階彎曲模態頻率與實際第一階彎曲模態頻率的偏差為0.53%。
(3)與試驗相比較，碳纖維復合材料引擎蓋外板抗凹試驗7個點CAE分析結果相對偏小，最大偏差和最小偏差分別為39.2%和3.7%。試驗與仿真存在一定偏差的主要原因是：仿真測試的固定較為理想化，設計試驗載荷較為復雜。
作者：呂玥蒽，陳正國，程超，丁小馬，刁春霞，楊青
