碳纤维预成型板耐久性研究

刘志雷

河北工业职业技术大学 河北石家庄 050091

近年来，能源危机和环境污染，使汽车轻量化显得尤为重要，碳纤维复合材料（CFRP）由于其优越的力学性能，如高机械强度和弹性模量、低密度、耐热性、可设计性，在汽车结构中被广泛应用。国内外学者对其在汽车结构上的轻量化设计均进行了相关研究。因此，以碳纤维预成型板材的实际应用情况、耐久性分析为基础，不断改良优化设计方案，可以逐渐提升碳纤维材料的应用效率，在提升碳纤维技术水平的同时，对制造行业的发展具有重要意义。

1 参数确定与模型构建

1.1 碳纤维复合材料参数确定

研究为保证工程常数准确性，以力学性能实验数据为基础，围绕环氧树脂、碳纤维两种材料的抗拉强度、弹性模量、密度等情况进行分析，如表1所示。将勾兑好的材料注入B柱铺设磨具中，具体为将环氧树脂两种调剂按照4:1的质量进行混合，随后加入到RTM中，等到磨具内的碳纤维完全湿润后，再放置到烘干箱内固化3小时以上[1]。等到碳纤维复合板材成型后，利用ASTM试验标准，将其调整至特定形状以供后续的力学测试，本次研究的试验机型号为WANCE-ETB-B。由于碳纤维复合材料的应变系数较小，如果采用传统的应变测试计算体系，容易产生诸多误差，本次试验为保证测量系统的应变、力学性能测试准确性，将采用0°至90°拉伸测试，0°至90°压缩测试，以及±45°的剪力测试。

表1 碳纤维复合材料参数情况

1.2 碳纤维复合材料有限元建模

碳纤维复合材料有限元模型的建立，要应用CATLA软件，将复合材料的各类参数信息输入到软件中，对数据信息进行网络划分，对同性材料与各向异性材料进行汇总，其中B柱总成的外板材质为DC54D钢，该材料的密度为7.90g/cm3，泊松比为0.34，弹性模量为220GPa；碳纤维复合材料采用胶粘方式，结构胶的弹性模量为0.9GPa，材料的密度为1.37g/cm3，泊松比为0.36。因此本次研究采用具有对称性的铺层方案，将铺层总厚度设定为4.8mm[2]。

2 结构优化设计

2.1 自由尺寸优化

确定B柱总成的碳纤维复合板材质后，还要对应用尺寸进行优化，由于B柱的应用质量与耐久性与板材厚度存在直接关系，想要保证一定范围的耐久度，便会对板材厚度提出严格要求，然而厚度逐渐提升，也会增加整体车身重量，对驾驶效果与油料损耗构成影响。因此要保证所有单元格处于最佳厚度，这样才能保证驾驶安全的基础上，最大化的降低车辆油耗[3]。将碳纤维复合料按照SMEAR方式进行铺层，得到预成型板材的平均力学性能系数，随后针对加强版的尺寸、厚度调整优化，公式如下：。

上述公式中，将t设定为铺层的优化厚度，本次优化选择常用的0°，±45°，90°四个角度铺层作为超级层，根据模拟和整合，最终求出B柱总成的铺层优化厚度，根据优化目标建立约束条件。

2.2 尺寸优化

尺寸优化指的是根据自由尺寸优化后得到的超级层厚度，对B柱总成的铺层形状进行确认，可以将所有超级层由j个小层级组成，从而对整个有限元模型进行简化，保证所有小层级的具体厚度处于超级层优化范围内，具体的优化变量公式为：

本次优化将每个超级层由四个小层级进行表示，因此将j取值为4，可以简化为16个小层级。结合超级层与小层级的厚度变化，计算碳纤维复合板在拉伸、侧向弯曲、后向弯曲等情况下的应力变化，并且将原有的钢制B柱板材的试验结果作为约束条件，也就是针对不同测试条件下钢制B柱总成与碳纤维B柱总成的变化进行对比[4]。

2.3 铺层角度次序优化

对于碳纤维板的应用性能来说，铺层厚度、铺层角度都会形成直接影响，因此还要对铺层角度进行次序优化，通过对不同的铺层厚度、铺层角度方案进行搭配，测试得出最优的应用方案，保证碳纤维B柱板的性能得到强化，优化变量公式如下：

2.4 刚度结果对比

结合优化设计方案，对碳纤维混合预成型B柱板进行制作，将初始钢化B柱板材，利用碳纤维复合板材制作初始铺层的板材，以及使用先进复合材料制作B柱板的板材进行综合对比，针对外板厚度、加强板厚度、外板质量、加强板质量、扭转模态、弯曲模态、轴向变形、后向变形、侧向变形等项目进行综合对比，结果如表2所示。

表2 刚度对比结果

结合数据结果能够看出，无论是4.8mm对称铺层方案制成的B柱总成，还是采用全新碳纤维复合材料制作的B柱总成，各类项目的应用数据均优于原始钢制B柱总成，而且全新碳纤维复合板材的质量更轻，扭转模态效果更好，弯曲模态、轴向变形、后向变形、侧向变形不存在过剩问题，材料得到充足应用，可以发挥出B柱总成的结构性能作用，优化结果比较理想[5]。

3 整车侧碰仿真分析

3.1 基于LS-DYNA模型建立

应用LS-DYNA进行整车侧碰仿真分析，进一步验证以碳纤维复合材料为铺层材料的B柱总成应用性能，分别针对装有钢制板材的车辆以及碳纤维复合板材的车辆进行碰撞测试，加强版与外板采用胶连接方式，保持B柱与其他相邻部件的连接关系牢靠，与原版钢制B柱总成的连接方式相同。本次模型赋予50km/h的初始速度，计算时间为15s，通过对车辆碰撞中的动能、内能、能量曲线变化情况进行汇总，同时还要结合沙漏能数值，验证计算碰撞过程中是否处于能量守恒，保证B柱总成碰撞测试结果的准确性。根据测试结果来看，采用碳纤维复合材料的B柱加强板的整车碰撞后最大位移为1260mm，而原始车辆采用钢制B柱板的整车碰撞后最大位移为1295mm，从车辆位移情况来看，碳纤维复合板的整车碰撞效果优于未经改良的钢制B柱板，采用碳纤维复合板后，结构减重为77.5%，与钢板B柱对比，强度增加2.8%，变形比例减小13.9%。

3.2 整车侧碰结果分析

针对整车碰撞后的数据展开深入分析，以两种材质B柱总成的侵入量与侵入速度作为参数，具体情况如表3所示。

表3 B柱侵入量及速度

根据上述数据可知，对于原钢制（DC54D钢）B柱总成与碳纤维复合（CFRP）B柱总成，B柱上部的动态侵入量为51.21mm与48.26mm，B柱下部的动态侵入量为104.55mm与99.21mm，变化情况均能看出碳纤维预成型板材的应用效果良好，同时结合动态侵入速度来看，B柱上部的动态侵入速度为9.28m/s与9.26m/s，B柱下部的动态侵入速度为9.21m/s与8.95m/s，上部与底部的动态侵入速度较为迟缓，可以最大化的保证车辆整体架构，提升对车内驾驶乘坐人员的安全保障。

与此同时，结合测试车辆内假人的头部、上肋、中肋、下肋、腹部等受力情况，也可以对两种材质B柱板的应用质量展开对比，根据结果可以看出，采用碳纤维预成型的B柱板应用效果均优于传统的钢制B柱板，在动态侵入量以及动态侵入速度两个方面都得到准确体现。

对于B柱的动态侵入速度来讲，带有碳纤维复合材料B柱加强板的整车侧面碰撞速度与金属B柱加强板的整车侧面碰撞的速度相差不大，而且在中部的速度变化趋势要更趋于平缓。对应假人的头部、上肋、中肋、下肋、腹部的动态最大侵入量和最大侵入速度的对比，由对比结果可以分析，碳纤维复合材料加强板方案B柱总成上，假人对应的最大侵入量总体比原金属方案小，最大侵入速度趋于均值，有利于对假人的保护。

4 结语

综上所述，碳纤维复合材料的应用，对现代制造行业的工艺革新具有良好的推动作用，尤其是汽车制造行业，为满足车辆重量轻、安全系数高、成本低的综合要求，必须在材料应用中作出调整优化，B柱总成是维系车辆框架稳定性的主要部分，采用碳纤维成型板进行替换，可以取得良好的应用成果。本文针对碳纤维B柱板的应用性能进行测试，首选阐述复合材料的参数与模型构建，其次提出结构设计优化方案，最后进行整车侧碰仿真分析，结果如下：采用碳纤维复合板后，结构减重为77.5%，与钢板B柱对比，强度增加2.8%，变形比例减小13.9%，多个方面均说明碳纤维预成型板具有良好应用价值，且耐久性良好。