王立凱，郭文杰，王軍，郭瑜超，聶小華

(中國(guó)飛機(jī)強(qiáng)度研究所，西安 710065)

0 引言

汽車工業(yè)是國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)之一，對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)有著重要的貢獻(xiàn)。隨著我國(guó)汽車工業(yè)的高速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)也面臨著越來越多的問題，其中最主要的三大問題為能源問題、環(huán)保問題以及安全問題[1]。在這種形勢(shì)下，汽車產(chǎn)業(yè)要想實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的策略，發(fā)展節(jié)能、低排放的汽車技術(shù)是減少能源消耗和環(huán)境污染的必然要求。為實(shí)現(xiàn)汽車產(chǎn)業(yè)的良性可持續(xù)發(fā)展，輕量化車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)發(fā)揮著重要作用，在汽車部件設(shè)計(jì)中，利用復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件替代金屬結(jié)構(gòu)件是其輕量化設(shè)計(jì)最直接有效的方法[2]。本文采用HAJIF軟件對(duì)傳統(tǒng)的采用金屬結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)而成的汽車零部件進(jìn)行性能分析，提出了剛度等效原則?；贖AJIF系統(tǒng)的復(fù)合材料工程鋪層數(shù)據(jù)庫對(duì)金屬材質(zhì)進(jìn)行復(fù)材替換，替換后的結(jié)構(gòu)具備與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相當(dāng)?shù)膭偠刃阅?，并且滿足強(qiáng)度要求。

1 金屬左前門防撞梁結(jié)構(gòu)性能分析

本工作以汽車金屬左前門防撞梁為對(duì)象開展結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其目的在于保證結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度指標(biāo)條件下，以復(fù)合材料代替金屬完成左前門設(shè)計(jì)。因此，本章首先介紹金屬左前門防撞梁結(jié)構(gòu)性能。根據(jù)左前門幾何模型，構(gòu)建了其有限元模型。在建模之初，為保證后續(xù)將其替換為復(fù)合材料的纖維連續(xù)性，去掉工藝孔和預(yù)搭扣孔，保留安裝孔、定位孔和安裝平面。這里直接給出其有限元模型，及模型的四邊形、三角形殼單元建立。左前門防撞梁有限元模型共包含6 824節(jié)點(diǎn)、6 605單元，殼單元厚度為1.6 mm(圖1)。采用表1所示的金屬材料屬性，結(jié)構(gòu)總質(zhì)量為1.96 kg。

圖1 左前門有限元網(wǎng)格劃分情況

表1 金屬材料性能參數(shù)

模型兩端施加固定約束，約束六個(gè)方向自由度，在結(jié)構(gòu)中間位置沿整體坐標(biāo)系Y向施加集中力，施加載荷和約束后的有限元模型分別如圖2和圖3所示。

圖2 左前門防撞梁載荷工況信息

圖3 左前門防撞梁有限元模型載荷及約束示意圖

根據(jù)載荷工況信息，在最嚴(yán)苛加載工況下，結(jié)構(gòu)的位移及應(yīng)力分布情況如圖4所示。

圖4 F=500 N加載工況下左前門防撞梁位移云圖

當(dāng)外載荷F=500N 時(shí)，結(jié)構(gòu)變形達(dá)到最大值12.7 mm。圖5給出了最大變形工況下防撞梁應(yīng)力分布情況，其最大應(yīng)力為227 MPa。應(yīng)力集中現(xiàn)象主要出現(xiàn)在加載位置附近和固定端周圍，其他部位應(yīng)力分布較為均勻且處于較低的應(yīng)力水平。

圖5 左前門防撞梁應(yīng)力云圖

圖6給出了不同工況下防撞梁最大位移與外載荷的關(guān)系，可見其基本呈線性變化。

圖6 左前門防撞梁最大位移與載荷曲線

2 金屬防撞梁復(fù)合材料化設(shè)計(jì)

本部分給出金屬防撞梁復(fù)合材料化設(shè)計(jì)的基本思路。首先說明金屬防撞梁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料化設(shè)計(jì)的基本原則，隨后介紹基于經(jīng)典層合板理論的復(fù)合材料本構(gòu)模型及鋪層設(shè)計(jì)中用到的復(fù)合材料工程數(shù)據(jù)庫。

工程中經(jīng)常用到剛度等效方法對(duì)結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行分析，在汽車零部件設(shè)計(jì)工作中，所謂的等剛度設(shè)計(jì)即結(jié)構(gòu)材料發(fā)生改變時(shí)，在相同載荷作用下，結(jié)構(gòu)的變形可與原結(jié)構(gòu)基本相當(dāng)。因此在本工作中金屬防撞梁復(fù)合材料化設(shè)計(jì)時(shí)，需要對(duì)原始結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能分析，得到其變形分布情況，隨后采用復(fù)合材料對(duì)同樣構(gòu)型的零部件進(jìn)行材料屬性變更，通過分析優(yōu)化等手段，保證更新為復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)件具備與原始結(jié)構(gòu)相近的變形即可。相比金屬材料而言，復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系較為復(fù)雜；但其理論較為成熟，限于篇幅，本文對(duì)復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系不作詳細(xì)推導(dǎo)。需要說明的是，本工作基于經(jīng)典層合板理論，采用平面應(yīng)力、直線法及等法線假設(shè)，認(rèn)為層壓板的厚度與其他尺寸相比小得多，層壓板未受載前垂直于中面的法線，變形后仍垂直于中面并假定層壓板中面的法線變形后長(zhǎng)度不變，因而垂直于中面的應(yīng)變及應(yīng)力可以忽略不計(jì)[3]。

對(duì)于層壓板復(fù)合材料結(jié)構(gòu)，這里直接給出其應(yīng)變計(jì)算格式：

(1)

由此式，得工作應(yīng)變?chǔ)殴ぷ?，γ工作分別為：

(2)

(3)

其中，T——層壓板厚度；εax，εay，γaxy——層壓板中面的應(yīng)變分量；φx，φy，φxy——層壓板中面的曲率分量。

采用剛度等效設(shè)計(jì)思想對(duì)金屬材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)合材料化設(shè)計(jì)，一般很難直接獲得可行設(shè)計(jì)。幸運(yùn)的是，筆者研究團(tuán)隊(duì)基于多年的強(qiáng)度分析及其工具開發(fā)經(jīng)驗(yàn)[4-5]，開發(fā)有復(fù)合材料工程鋪層數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫集成了工程常用復(fù)合材料鋪層信息，包括單層材料、總體鋪層數(shù)、鋪層順序等信息，利用剛度等效方法對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，可粗略得到金屬材料全部替換為復(fù)合材料后的總厚度情況。這時(shí)參照工程鋪層數(shù)據(jù)庫，可從中得到相同或相近厚度下的復(fù)合材料鋪層信息，將其屬性更新到零部件結(jié)構(gòu)中進(jìn)行試算，一般經(jīng)過少量計(jì)算即可得到較為合適的替換設(shè)計(jì)。

3 復(fù)合材料左前門防撞梁設(shè)計(jì)及性能分析

采用上述方法，對(duì)金屬防撞梁進(jìn)行復(fù)合材料化設(shè)計(jì)，本章給出設(shè)計(jì)結(jié)果。左前門防撞梁原結(jié)構(gòu)為金屬材料，結(jié)構(gòu)厚度為1.6 mm；新結(jié)構(gòu)為復(fù)合材料，按[45/0/0/45/0/0/45/0/0/45/0/90/0/0/45/0/0/90]s鋪設(shè)，共36層，厚度為7.2 mm，結(jié)構(gòu)總重量為1.58 kg。在相同載荷作用下，替換為復(fù)合材料的左前門防撞梁位移分布如圖7所示。其最大位移發(fā)生在F=500 N時(shí)的情況，相應(yīng)的位移為12.0 mm。

圖7 F=500 N時(shí)復(fù)合材料左前門防撞梁位移云圖

繪制不同工況下左前門防撞梁最大位移與外載荷的關(guān)系，得到圖8所示的曲線。從曲線上可以看出，該設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的等剛度設(shè)計(jì)，分析材料替換前后結(jié)構(gòu)重量，可見替換后結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了減重。

圖8 復(fù)合材料左前門防撞梁最大位移與載荷曲線

表2給出了左前門防撞梁金屬結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能對(duì)比情況。

表2 左前門防撞梁金屬結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

4 結(jié)論

本文建立了左前門防撞梁結(jié)構(gòu)有限元模型，以等剛度原則，采用CFPP連續(xù)碳纖維單向帶強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料代替金屬材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)的鋪層設(shè)計(jì)。利用HAJIF軟件對(duì)結(jié)構(gòu)在典型載荷約束條件下的力學(xué)性能進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在滿足原金屬材料結(jié)構(gòu)剛度約束條件下，替換為全復(fù)合材料后實(shí)現(xiàn)了原結(jié)構(gòu)的剛度要求并減輕了結(jié)構(gòu)重量，這種設(shè)計(jì)思路對(duì)汽車結(jié)構(gòu)輕量化具有重要意義。本文提供的分析方法和分析結(jié)果可為汽車結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供一定依據(jù)和參考。