新材料与工艺手册

[车身轻量化] 汽车B柱加强板碳纤维设计浅析

0
回复
84
查看
[复制链接]

微信扫一扫 分享朋友圈

发表于 2020-4-13 15:26:54 | 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
【汽车轻量化在线】汽车B柱加强板碳纤维设计浅析
杜治雄,王 泽,王旭东,朱光辉(众泰汽车工程研究院,杭州 310018)
摘 要:采用碳纤维复合材料替代钢材,通过结构拓扑优化对B 柱加强板进行轻量化设计,与传统钢件相比重量减轻1.183Kg,减重55%,同时采用CAE 仿真碰撞分析,CAE 分析结果与实际基本相符,满足产品设计要求。文中以众泰汽车某SUV 车型为例,简单介绍了B 柱加强板设计方法。
关键词:轻量化;碳纤维;B 柱加强板
0 引言

[size=1em]目前汽车工业的发展面临着三大主题:节能、环保和安全。汽车轻量化是节能减排的重要方法和途径,汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用,其中轻量化材料的使用是车身减重的主流方式。

[size=1em]本文通过采用碳纤维复合材料取代钢材,对车身B 柱加强板进行材料替换和结构集成再设计,利用拓扑优化技术优化设计碳纤维B 柱总成,并通过Nastran 软件优化碳纤维在零件中的取向分布,减少零部件变形,得出最优的碳纤维B 柱加强板结构。

1 材料及生产工艺选择

[size=1em]由于碳纤维存在横向及纵向两个方向弹性模量,无法按等刚度替换来计算碳纤维料厚,暂按横向模量计算,碳纤维料厚初步按t≈1.7T(t为碳纤维零部件厚度,T 为钣金件零件厚度)定义;考虑零件屈服,碳纤维屈服完全大于钢材,初步采用T300 的碳纤维原材料。

[size=1em]经调研目前碳纤维零件在车身上的常规连接主要采用的是胶粘+铆接的连接方式,经试验分析,选取常温固化的双组份胶及普通铆接螺钉进行连接。

2 碳纤维结构优化分析

[size=1em]通过将B 柱加强板中的支撑板替换为碳纤维零部件后,在达到相同侧撞性能时,以此来分析碳纤维的减重效果。依据B 柱结构,复合B 柱加强板包括1#钣金加强板、3#小支架及2#的复合材料的内加强板。其中采用壳单元进行模拟,网格尺寸为5mm,使用Nastran 软件进行分析求解。

[size=0.8em]图1 B 柱结构模型

[size=1em]将B 柱总成,金属和复合材料力学性能代入Nastran 软件,对各种方案的自由模态、轴向压缩、后向弯曲、侧向弯曲、3 点弯工况等5 种状态进行对比分析,以得出最优方案。

[size=1em]先行选取以下几种方案来进行对比分析B 柱总成的刚度及强度,通过对比分析得出最优结构。

[size=1em]此项目为金属改制为碳纤维项目,主要对以下三种料厚进行分析: (1)A1.8(料厚1.8mm)方向:该方案金属板结构形式和厚度(1.8mm)均保持不变,原2#金属板改为复合材料加强板,对其厚度和结构形式进行优化;

[size=1em](2)A1.5(料厚1.5mm)方向:该方案金属板结构形式不变,厚度减薄至1.5mm,原2#金属板改为复合材料加强板,对其厚度和结构形式进行优化;

[size=1em](3)A1.6(料厚1.6mm)方向:厚度减薄至1.6mm,原2#金属板改为复合材料加强板,对其厚度和结构形式进行优化。

[size=1em]经过多轮优化分析,最终分析结论如下:

[size=1em]A1.6 方案刚度和原金属方案匹配度最高,但减重效果一般;A1.8方案工艺难度最小,成本最低,但减重效果最差;A1.5 方案减重效果最好,但需多开模具,工艺最复杂,成本最高。

[size=1em]综合成本、工艺以及性能等方面考虑,A1.6 方案符合目前的要求。依据A1.6 方案进行整车CAE 分析。因B 柱加强板金属结构的3 点弯强度关系到整车碰撞的强度,则此复合材料性能主要从车身在大壁障50km/h 速度碰撞下车身侵入量和侵入速度这两个方面来考量。大壁障碰撞模型中台车质量为1400kg,以时速50km/h 的速度撞向整车。此时考量车身侵入量和侵入速度。收集分析参数如表1。

[size=0.8em]表1 大壁障碰撞两种方案CAE 分析对比

3 试验结果分析

[size=1em]通过表1 对比数值可以看出,主要的4 个考核点中碳纤维制作的B 柱加强板有3 个考核点优于金属方案,性能具备明显优势,能够满足整车强度性能。B 柱加强板的强度关系到整车碰撞的强度,经验证分析,碳纤维B 柱加强板白车身在性能达到原钢制白车身的情况下,单件减重可达55%以上,减重效果显著。

4 结论

[size=1em]本文通过国产品牌汽车开发,应用碳纤维车身钣金件,并对其进行CAE 分析,确认B 柱加强板应用碳纤维材料技术的优势,形成技术储备。目前国内碳纤维尚处于起步阶段,原材料及生产工艺明显落后于国外,且成本较高,但随着未来碳纤维技术的成熟及发展,碳纤维材料必将大批量应用于车身,大大提升整车的强度以及未来对汽车满足轻量化的要求。



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