張寶杰

河南速達(dá)電動(dòng)汽車(chē)科技有限公司產(chǎn)品工程部 河南省三門(mén)峽市 472000

1 引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，能源危機(jī)日趨嚴(yán)重，世界各國(guó)的排放法規(guī)日益嚴(yán)格，如何在保證安全性和動(dòng)力性的前提下降低油耗和減少排放是目前汽車(chē)工業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。采用各種輕質(zhì)材料取代金屬等傳統(tǒng)材料，使汽車(chē)輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要途徑。碳纖維復(fù)合材料憑借輕質(zhì)、高強(qiáng)度、高剛度、抗振性能好、抗疲勞、耐腐蝕等眾多優(yōu)點(diǎn)，越來(lái)越受到汽車(chē)工業(yè)的重視，在汽車(chē)中的應(yīng)用也越來(lái)越多。碳纖維及其復(fù)合材料是支撐國(guó)家高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵材料，經(jīng)過(guò)40多年的積累與發(fā)展，我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料研發(fā)擁有眾多突破性進(jìn)展，但在汽車(chē)領(lǐng)域的應(yīng)用還遠(yuǎn)落后于航空航天和其他工業(yè)領(lǐng)域。因此有必要分析碳纖維復(fù)合材料在我國(guó)汽車(chē)工業(yè)應(yīng)用中存在的問(wèn)題，提出合理的發(fā)展對(duì)策，以適應(yīng)汽車(chē)工業(yè)對(duì)材料發(fā)展的迫切需求。

純電動(dòng)轎車(chē)輕量化的意義：不僅可以節(jié)能減排，而且在同樣的電池重量下，輕量化可以增加電動(dòng)車(chē)的續(xù)駛里程；如保持同樣的續(xù)駛里程，則可以減少電池的重量，這不僅可以減重，還可以大幅度的降低電動(dòng)車(chē)的價(jià)格，從而更有利于電動(dòng)車(chē)的推廣應(yīng)用。

2 碳纖維復(fù)合材料的性能特點(diǎn)和使用優(yōu)勢(shì)

CFRP泛指由碳纖維和聚合物樹(shù)脂復(fù)合而成的碳纖維復(fù)合材料，環(huán)氧樹(shù)脂CFRP其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。CFRP抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7到9倍，抗拉彈性模量為230Gp到430Gpa亦高于鋼，但它的比重卻不到鋼的1/4，僅為1.8；CFRP的比強(qiáng)度達(dá)到2000Mpa以上，而Q235鋼的比強(qiáng)度僅為59Mpa左右，其比模量也比鋼高。CFRP不僅輕而強(qiáng)，輕而鋼而且具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、結(jié)構(gòu)尺寸穩(wěn)定性好以及設(shè)計(jì)性好、可大面積整體成型等一系列特點(diǎn)，在汽車(chē)輕量化中得到不斷增長(zhǎng)的應(yīng)用。CFRP還具有非常卓越的能量吸收性能，從而進(jìn)一步保證了CFRP車(chē)輛的安全。CFRP部件比同類(lèi)鋼質(zhì)零部件減重40%以上，卻能夠提供更高的強(qiáng)度。

表1

3 CFRP前艙蓋總成應(yīng)用實(shí)例

4 CFRP前艙蓋剛度分析

4.1 分析目的

分析前艙蓋側(cè)向剛度，保證前艙蓋有足夠的側(cè)向剛度。

4.2 分析軟件

前處理：h y p e r m e s h；求解器：nastran；后處理：hyperview

4.3 模型描述

（1）用10mm對(duì)幾何進(jìn)行劃分，網(wǎng)格要保證平順性和均勻性，最小尺寸要保證大于4mm，同時(shí)滿(mǎn)足其他網(wǎng)格質(zhì)量要求；（2）前艙蓋的焊點(diǎn)用acm類(lèi)型單元模擬；（3） 前艙蓋的粘膠用adhesive類(lèi)型單元模擬；（4）螺栓連接用RBE2單元模擬。

4.4 工況設(shè)置

（1）邊界條件：左右兩個(gè)下鉸鏈安裝孔約束123456自由度；加載點(diǎn)約束3自由度。（2）載荷：Bumper點(diǎn)右側(cè)抓取RBE3，區(qū)域?yàn)?5*15mm，在RBE3中心處Y向加載180N。（3）靜態(tài)分析方法。

4.5 分析結(jié)果及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分析輸出位移云圖，關(guān)注加載點(diǎn)的Y向位移。加載點(diǎn)Y向位移需要滿(mǎn)足位移小于4mm的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn) 。

5 CFRP前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析

5.1 分析目的

分析前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度，保證前艙蓋有足夠的扭轉(zhuǎn)剛度。

5.2 分析軟件與模型描述與4.2及4.3相同

5.3 工況設(shè)置

（1）邊界條件：左右兩個(gè)下鉸鏈安裝孔約束123456自由度；左邊bumper點(diǎn)約束3自由度。（2）載荷：右邊Bumper對(duì)應(yīng)外板50*50mm處均布Z向加載100N。（3）靜態(tài)分析方法。

5.4 分析結(jié)果及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

分析輸出位移云圖，關(guān)注加載點(diǎn)的Z向位移。通過(guò)計(jì)算得出前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度，扭轉(zhuǎn)剛度K=F*L/arctg(Z/L)，需要滿(mǎn)足扭轉(zhuǎn)剛度大于80Nm/deg的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

6 CFRP前艙蓋模態(tài)分析

6.1 分析目的

前艙蓋是整車(chē)模型的重要組成部分，考察前艙蓋一階彎曲及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

6.2 分析軟件與模型描述與4.2及4.3相同

6.3 工況設(shè)置

（1）邊界條件：自由狀態(tài)；（2）Nastran求解序列SOL103；（3）求解前6階模態(tài)。（4）分析結(jié)果及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：前艙蓋模態(tài)分析作為車(chē)身NVH的分析的一部分，在設(shè)計(jì)最初確定目標(biāo)值，通過(guò)將分析結(jié)果與目標(biāo)值比較，考察前艙蓋一階彎曲模態(tài)及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)是否達(dá)到目標(biāo)值要求。

7 分析結(jié)果

7.1 材料信息

材料特性表

7.2 前艙蓋剛度分析結(jié)果

位移（mm） 2.67目標(biāo)值（mm） 4判定 合格

7.3 前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度分析結(jié)果

位移（mm） 3.10扭轉(zhuǎn)剛度（Nm/deg） 223目標(biāo)值（Nm/deg） 80判定 合格

7.4 前艙蓋模態(tài)分析結(jié)果

模態(tài) 計(jì)算值 目標(biāo)值 判定一階扭轉(zhuǎn)（Hz） 35.21 25 合格一階彎曲（Hz） 41.36 34 合格

8 前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試

8.1 環(huán)境

試驗(yàn)在常溫、常壓狀態(tài)下進(jìn)行。

8.2 試驗(yàn)設(shè)備

利用絲杠加載，由位移傳感器控制位移（分辨率0.01mm）、力傳感器控制加載值（分辨率1N），利用輕量化材料應(yīng)用測(cè)試系統(tǒng)（AMM-200-I）采集數(shù)據(jù)，壓頭半徑R30毫米。

8.3 加載條件

（1）約束：鉸鏈處剛性固定；輔助支撐分別選前艙蓋減震墊安裝點(diǎn)A、B，只約束Z向位移。（2）加載點(diǎn)：分別選擇點(diǎn)B、A加載。（3）加載力：從0加載至200N，形成扭轉(zhuǎn)力。

8.4 扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試結(jié)果

以前艙蓋減震墊位置衡量，碳纖維發(fā)動(dòng)機(jī)蓋扭轉(zhuǎn)剛度為206.35N·m/°。

9 結(jié)語(yǔ)

由分析結(jié)果可知：前艙蓋剛度滿(mǎn)足要求；前艙蓋扭轉(zhuǎn)剛度滿(mǎn)足要求；前艙蓋一階彎曲模態(tài)滿(mǎn)足要求；前艙蓋一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)滿(mǎn)足要求。扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試結(jié)果，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

扭轉(zhuǎn)剛度測(cè)試結(jié)果

扭轉(zhuǎn)裝夾

隨著碳纖維價(jià)格的不斷降低和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展成熟，碳纖維復(fù)合材料將會(huì)逐漸取代金屬材料，成為車(chē)用材料的主力軍。