碳纤维复合材料汽车B柱加强板的优化与性能分析.pdf

碳纤维复合材料汽车B柱加强板的优化与性能分析马芳武;熊长丽;杨猛;蒲永锋;王晓军;支永帅【期刊名称】《《湖南大学学报（自然科学版）》》【年(卷),期】2019(046)008【总页数】9页(P36-44)【关键词】碳纤维复合材料;轻量化;B柱加强板;优化设计【作者】马芳武;熊长丽;杨猛;蒲永锋;王晓军;支永帅【作者单位】吉林大学汽车仿真与控制国家重点实验室吉林长春130025;上海汽车集团股份有限公司技术中心安全工程与虚拟技术部上海201804【正文语种】中文【中图分类】U465.6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、低密度和良好的耐热性和可设计性而在汽车结构中被广泛应用[1]，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.郭永奇等[2]基于等刚度代换理论对钢结构发动机罩进行了碳纤维复合材料的替换，使替换后不同工况下结构刚度提升，减重达到46%.王庆等[3]对某款纯电动汽车的保险杠进行了设计，优化出了一种整体式碳纤维增强树脂基复合材料保险杠，在满足耐撞性的前提下，减重可达36%.美国通用汽车研发中心运用结构优化技术设计碳纤维复合材料乘用车顶棚，选用单向带和编织布的数据，以复合材料失效理论作为约束，设计复合材料铺层厚度和角度，与金属相比减重高达70%[4].SangHuyk等[5]对CFRP材料的汽车的控制臂进行拓扑优化，运用均匀场理论，采用有限元方法优化设计碳纤维复合材料下控制臂，同时保证该结构的刚度和耐久性要求，使结构轻量化效果提升30%.Kim[6]等运用等效静载荷原理对碳纤维复合材料发动机罩盖的铺层角度和次序进行优化设计，达到弯曲和扭转刚度的同时，对行人的保护效果大幅提升.Kim等[7]采用经典层合板理论确定层合板的机械性能，基于UGA优化算法优化设计汽车保险杠结构，通过有限元方法优化得到最优方案，最后进行验证得到最轻质的保险杠结构.而目前国内外对于B柱，尤其是复合材料B柱的研究较少.李勇俊等[8]以轻量化为目标，构建代理模型并采用多岛遗传算法进行优化，得到各个子层区域的铺层层数.结果表明在满足工艺要求的条件下，整车在顶压和侧面碰撞中的耐撞性得到了明显提升，同时B柱重量减轻了61.4%.赵运运等[9]采用数值模拟与试验相结合的方法，研究了汽车B柱22MnB5高强度钢热冲压成形工艺，并验证了该成型工艺的可靠性.Liu等[10]提出了一种新的复合材料B柱结构，并对其进行了优化设计和全局灵敏度分析.优化后的复合材料B柱能够实现轻量化的目的并能提升耐撞性.以上几个方面的研究内容，对碳纤维复合材料车身覆盖件的结构优化设计提供了丰富的经验和指导.与在汽车覆盖件上的应用研究相比，碳纤维复合材料在车身结构件上的应用较少.B柱作为车身典型的结构件，其结构相对独立，为保证整车良好的侧面碰撞性能，B柱通常使用多块加强板，不利于轻量化设计而且给车身设计和装配增加了复杂度，本文选择具有代表性的B柱组件作为研究对象进行优化设计分析.1碳纤维复合材料参数的获取本文通过力学性能试验获取工程常数，选用单向碳纤维（台丽）与环氧树脂（昆山珍实复合材料有限公司），其性能见表1，采用RTM成型工艺，注射机型号为IsojetPiston4000.将裁剪好的碳纤维单向布按标准的铺层方式铺设在模具中，将环氧树脂A剂和B剂按4∶1的质量比混合后，加入到RTM注射机内并注射.待模具内碳纤维布完全浸润后，将其放置在60℃的烘箱内固化2h.将制作好的层合板根据ASTM[11-13]试验标准切割成特定形状并进行力学性能试验，万能试验机型号为WANCE-ETB-B.由于复合材料应变很小，采用普通应变测量方法误差较大，本次性能试验采用非接触全场应变测量系统（DIC）测量材料的应变.力学性能试验主要包括：0°/90°拉伸试验，0°/90°压缩试验，±45°剪切试验，试验结果如2表所示.表1碳纤维复合材料中纤维与树脂的参数Tab.1Basicpropertiesoffiberandepoxyresion密度ρ/（g·cm-3）TC-35-12K单向碳纤维40002401.85113-81A环氧树脂1.125113-94B固化剂1.03材料抗拉强度Xt/MPa弹性模量E/GPa63.763.72.92.9表2碳纤维复合材料力学参数Tab.2MechanicalpropertiesofCFRP参数符号数值0°弹性模量E1/GPa11490°弹性模量E2/GPa8.28泊松比v120.31xy方向剪切模量G12/GPa4.28xz方向剪切模量G1z/GPa4.28yz方向剪切模量G2z/GPa2.850°拉伸强度Xt/MPa1809.080°压缩强度Xc/MPa1163.6890°拉伸强度Yt/M