新材料与工艺手册

[车身轻量化] 碳纤维复合材料B柱轻量化设计

0
回复
63
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2020-1-10 10:52:01 | 显示全部楼层 |阅读模式

注册后就可以查看哦!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
碳纤维复合材料B柱轻量化设计
兰祥,赵晓昱
(201600 上海市 上海工程技术大学 汽车工程学院)
汽车轻量化在线】[摘要]探讨了碳纤维复合材料在汽车B柱上的轻量化作用。对金属汽车B柱进行有限元分析,得到其应力分布及变形情况。对金属B柱模型进行简化,采用碳纤维复合材料替换金属材料进行结构设计,进而分析相对于金属B柱的轻量化性能。结果表明,碳纤维B柱相对于金属B柱性能更优,并且质量明显变小,轻量化效果明显。
[关键词] 碳纤维复合材料;B柱;有限元分析;轻量化
0 引言

[size=1em]随着汽车工业的发展,汽车保有量迅速增大,能源问题和环境保护面临严峻形式。汽车轻量化作为有效的应对措施,是当前汽车行业的研究热点。汽车轻量化主要有两种方法:(1)通过对汽车结构进行优化设计减薄厚度等从而减轻质量;(2)通过新型轻质材料如铝合金、复合材料替换原来的钢铁等材料。

[size=1em]碳纤维复合材料是当前常用材料中性能较为优异的,有着较高的比刚度和比模量。碳纤维复合材料具有轻质、高强度、优良的减震性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能[1]。同时还具有较高的设计自由度,便于对不同部件的设计制造,是较为理想的车用复合材料,在汽车车身及某些部件上得到越来越广泛的应用。它最先使用在飞机上,目前正逐步扩展到其它各个领域,因此探讨碳纤维复合材料在汽车上应用的可行性及其轻量化效果是非常有必要的。

[size=1em]本文以某车型B柱为研究对象,对传统B柱模型进行简化并对截面进行改进设计,利用碳纤维复合材料代替钢材进行分析,通过与钢制B柱进行结果对比分析,得出在满足各种力学要求及制造工艺条件下,能够达到对B柱的轻量化设计要求,进一步验证了碳纤维复合材料轻量化的可行性。

1 汽车B柱结构及模型简化1.1 传统汽车B柱结构

[size=1em]某车型B柱如图1所示。汽车B柱一般由B柱内板总成、B柱外板总成、B柱加强件、B柱结构安装加强件等构成。B柱不仅要满足汽车造型设计的需要,还要满足其功能需求,比如其前车门锁、前排座位安全带安装等,同时还要在侧碰和侧翻时有良好的运载能力[2]。在侧碰和侧翻时,B柱作为主要承载件,不仅要自身受力还要将力传递出去,减少因为碰撞造成的变形过大对乘客造成危害。

[size=0.8em]图1 B柱构造
Fig.1 Structure of B- pillar

1.2 汽车B柱模型简化

[size=1em]现代的汽车更加注重造型设计,而汽车B柱受外形影响较大,这也造成B柱截面各不相同。对于车身结构件来说,断面的大小、形状会直接影响车身的结构强度和刚度、连接、功能作用等,B柱作为主要结构件也会受到影响。传统B柱截面形状复杂,且各有差异,但可以总结为传统B柱内外板是由多件冲压钢板焊接而成,截面呈现封闭状态,即封闭梁[3]。大量加强板的使用不仅会增加整车质量,而且加大了汽车设计与装配的难度。其截面如图2所示。

[size=0.8em]图2 B柱原截面
Fig.2 Original section of B- pillar

[size=1em]本文从现有 B 柱结构进行入手,一方面按照传统 B 柱结构的共同特性,并连同有限元模型建立的简化原则[4],将B柱的外凸弯曲型结构简化为平面内的直型梁;另一方面,根据前人研究经验及数据。并且为了仿真方便将B柱简化为单帽型梁结构,并且上下接头与B柱合为一体,如图3所示。

[size=0.8em]图3 B柱简化截面
Fig.3 Simplified section of B- pillar

2 汽车B柱有限元模型2.1 加载工况及边界条件

[size=1em]在概念设计阶段,应尽可能加快设计分析和改进的节奏。基于动载荷的冲击分析过程设计非线性变形有限元分析,过程相对复杂,计算时间较长[5]。为简化分析过程,本文将碰撞中的圆柱刚体的动载荷转化为其与汽车B柱接触瞬间的静载荷。

[size=1em]冲击圆柱体设置在距离B柱中部0.5 m的地方,为直径500 mm、质量为400 kg的刚体,它以10 m/s的速度冲击B柱,碰撞时间为0.05 s。由于刚体匀速运动,根据动量守恒定律,由公式(1)可以求出等效静载荷


[size=1em]式中:m——圆柱体质量;v——圆柱体冲击速度;t——碰撞时间。

[size=1em]边界条件条件设置为将上下接头与车体连接处的边固定,在B柱中部施加80 kN的静力,静力施加在中线上。

2.2 网格划分及材料属性

[size=1em]本文使用HyperMesh进行前处理,前处理是在HyperMesh中完成的,后处理是在HyperView中进行的。钢质B柱使用PSHELL进行分析,所选钢材(HC700/980MS)的力学性能为弹性模量E=210 GPa,泊松比NU=0.3,密度RHO=7.85e-9 t/mm3,屈服强度为980 MPa。HyperMesh提供多种交互式建立映射网格和自由网格的网格划分技术。划分网格时一般要保证网格质量能达到某种指标的要求,具体的网格质量衡量指标有细长比、锥度比、内角、翘曲量、拉伸值、边节点位置偏差等[6]。划分主要为CQUAD4单元,共计13 768个。有限元模型如图4所示。

2.3 金属B柱结果分析
[size=0.8em]图4 B柱有限元模型
Fig.4 Finite element model of B-pillar

[size=1em]将完成前处理的有限元模型用HyperMesh中的Optistruct中进行求解,在后处理模块中查看其应力及变形云图,分别如图5、图6所示。从云图中可以看出,最大变形发生在B柱中部,达到17.8 mm,最大应力同样发生在B柱中部,大小为2 566 MPa,质量为17.82 kg。根据仿真结果显示,在满足B柱性能的同时,质量仍有减轻的余地。

[size=0.8em]图5 金属B柱应力云图
Fig.5 Stress cloud diagram of metal B-pillar

[size=0.8em]图6 金属B柱变形云图
Fig.6 Deformation cloud map of metal B-pillar

3 碳纤维复合材料B柱材料体系构建3.1 层合板概念

[size=1em]层合板是由两层或两层以上按不同方向配置的单层板层合成为整体的结构单元。构成层合板的单层既可以是同一种材料,也可以使用不同种材料的组合;每层材料铺设方向和铺设顺序按设计要求确定。各单层的材料主方向的选择应使设计部件能同时承受多个方向的载荷[7]。

3.2 层合板设计一般准则

[size=1em](1)均衡对称的铺设原则。如若没有特别的需求,层合板一般情况下应该选择均衡对称层合板的形式。这种层合板一般具有的特征是:①层合板结构对材料中面对称;②假如层合板结构中具有-45°的铺层,则对应的要有+45°的铺层。

[size=1em](2)铺层定向原则。一般情况下,在满足受力时,为了缩短设计周期和减少成本,复合材料结构铺层中铺层的角度种类尽可能减少。在结构承受面内载荷时,设计中大多采用0°、90°、45°、-45°等4种铺层。假如复合材料零部件采用铺层设计是准各向同性层合板,能考虑铺层方式为 [0/45/90/-45]s 或 [60/0/-60]s。

[size=1em](3)铺层取向按承载选取原则。对零部件设计铺层时,应使层合板的纤维方向尽量与内力的拉压方向保持一致,使纤维的高强度与高刚度特性得到发挥。在实际情况下,可分为以下4种情况:①该材料在受到单轴向拉压力时,应在该方向上正向铺设增强纤维;②若在材料x、y轴上均受到载荷作用,应在材料的主方向上按照0°、90°正交铺设的方式布置纤维;③若受到平面内的剪切作用,应该按照±45°方向来成对铺层;④如果是受到多种方向力作应,应该综合考虑在0°、±45°、90°的多向铺层方式。其中,在0°铺层用来承受材料主轴上作用的载荷;±45°铺层则承受平面内的剪切应力;90°铺层承受材料纵轴上载荷,并且该方向上的铺层和0°方向的铺层直接控制泊松比的大小。因此,在该情况下的构件中应同时包含4种铺层。

[size=1em](4)铺设顺序原则。①如果在层合板中,4个方向均有铺设,则用0°或90°层将±45°层隔开,这样可以减小层间剪切力。②为了提升复合材料层合板结构的抗压缩和耐冲击性,增强结构的稳定性,在其表面可铺设±45°层。

[size=1em](5)变厚度设计原则。考虑到复合材料厚度突然变化会带来应力集中的影响,所以在零部件结构变厚的地方采用铺层逐渐变化呈阶梯的形式,铺层数可以是逐渐增加也可以是逐渐减小的。

3.3 层合板力学基础

[size=1em]经典层合板理论是在以下假设基础上建立的:层间变形一致性假设,直法线不变假设,板的克希荷夫假设(Kirchhoff);壳的克希荷夫-勒普假设(Kirchhoff-Love)及单层平面应力状态假设[8]。

[size=1em]根据上述假设可以推导出层合板的内力—应变关系式


[size=1em]记中面应变为


[size=1em]同时,由微分几何关系中可知,面曲率(包括扭率)与z向的中面位移ω0有如下关系


[size=1em]由上式可推出应变公式


3.4 B柱材料的选取

[size=1em]复合材料设计一般是用不止一种组份材料在一起复合制成具有所有组分材料性能的一种新型材料过程[9]。组分材料通常是指增强材料还有基体材料。客观来说,这两种材料的种类比较丰富多样,不同的增强材料与基体构成的复合材料性能存在着很大差别,所以需要首先对增强材料和基体进行选择。

[size=1em]3.4.1 增强材料选择

[size=1em]在复合材料的材料体系中,增强材料主要负责承载作用,担当分散相的角色。复合材料的强度以及其弹性模量和其中的增强材料有着很大关系,同时增强材料对于降低复合材料收缩率和提高复合材料耐热性有着很大帮助[10]。增强材料多种多样,如今被广泛使用的有:超高分子量聚乙烯纤维、碳纤维、玻璃纤维、氧化铝纤维等。选择增强材料时,首先要考虑纤维类别,其次选择纤维种类规格。

[size=1em]通过对各种碳纤维性能参数对比,结合汽车B柱性能要求,T300碳纤维因其性能稳定,高强度与刚度,价格适中,国产量大等特点而广泛应用于现代工程中,因此本文在选择的增强材料的时候考虑T300型号碳纤维材料。

[size=1em]3.4.2 树脂基体的选择

[size=1em]树脂基体复合材料也叫增强塑料,树脂是其中重要的一部分。在转化成复合材料的过程中,树脂和增强材料经过物理与化学等变化后,形成了一个新的整体,因此树脂对复合材料的性能也同样有着重要的影响。所以在确定复合材料中增强材料之后,需要根据所选择的增强材料类型选择树脂基体,即主要依据制品使用性能来对树脂基体配方组成成分进行挑选[11]。 复合材料的耐腐蚀性几乎都由树脂决定,所以选择合适的树脂极其重要。鉴于环氧树脂5208与碳纤维复合材料具有良好的结合性,且目前的产品比较成熟,因此本文选用它作为所设计碳纤维复合材料的基体材料[12]。

[size=1em]本文选用的碳纤维复合材料为T300/5208,基本材料性能密度ρ=1 600 kg/m3,E1=181 GPa,E2=10.3 GPa,ν1=0.28,G12=7.17 MPa。

3.5 碳纤维复合材料B柱铺层设计

[size=1em]在对碳纤维复合材料B柱铺层时,考虑到钢质B柱中的应力分布情况,以及结合上述一般层合板设计原则,选用0°、±45°、90°四个角度进行铺层,内外板的铺层方式都是对称层合板中的准各向同性层合板[13]。铺层顺序为(0°、45°、90°、-45°)5 s ,每个单层厚度 t=0.2 mm,所以总的厚度为8.0 mm。

4 碳纤维复合材料B柱有限元分析及结果

[size=1em]将已建立的有限元模型带入HyperMesh中计算,得到相应的应力云图和变形云图,如图7、图8所示。计算得出B柱最大变形14.36 mm,最大应力为1 302 MPa,质量为10.3 kg。

[size=0.8em]图7 碳纤维B柱应力云图
Fig.7 Stress cloud diagram of carbon fiber B-pillar

[size=1em]通过与钢质B柱分析的结果相对比可以发现,碳纤维复合材料B柱的变形明显减小,同时应力也呈现出减小的趋势,并未呈现应力集中的情况。碳纤维B柱相对于钢质B柱减重超过40%,有效达到了轻量化的目的。

[size=0.8em]图8 碳纤维B柱变形云图
Fig.8 Deformation cloud map of carbon fiber B-pillar

5 总结

[size=1em]通过对金属材料B柱的有限元分析,对B柱的结构性能有了进一步认识,简化了B柱结构模型。基于设计初期的需要,对B柱有限元模型的边界条件进行了简化,通过将冲击载荷等效为静载荷,简化分析过程。将金属材料B柱替换为碳纤维复合材料(T300/5208),完成材料的选取及铺层的设计,进行有限元分析。对金属B柱和碳纤维B柱的分析结果进行对比,得出碳纤维复合材料B柱的性能更为优异,同时质量减轻明显,有效实现了轻量化设计。



您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关注汽车轻量化最新动态

官方微信

汽车材料网

全国服务热线:

0551-63857995

地址:安徽省合肥市庐阳区四里河鼎鑫中心

邮编:230001 Email:service@qichecailiao.com

Powered by 汽车轻量化在线  皖ICP备10204426号-2

小黑屋-手机版- 汽车轻量化在线 |网站地图