多軸向經編曲面復合材料汽車門低速碰撞數值模擬

高 哲， 蔣高明,2(.江南大學 教育部針織技術工程研究中心， 江蘇 無錫 2422； 2.江南大學-德克薩斯大學新型針織結構材料國際聯合實驗室， 江蘇 無錫 2422)

多軸向經編復合材料(MWKC)的增強結構為典型的無屈曲多軸向經編織物(MWK)，由軸向紗和捆綁紗2個紗線系統組成[1-3]。軸向紗按照設計角度平行伸直排列，形成多軸向紗層，并利用經編組織結構沿厚度方向將紗層綁縛在一起形成整體織物結構，非常適合制備結構簡潔、曲率平緩的大型結構件；此外，該結構在復合成型時，有效地避免了樹脂聚集區的出現，并且樹脂浸潤均勻。因此，在制備厚度較小的曲面薄殼復合材料方面具有絕對優勢。在相關應用中，汽車殼體具有很強的代表性。近年來，新能源汽車成為了全球汽車消費的熱點，為使電動汽車或油電混動汽車獲得更強的動力和更長的續航里程[4-5]，車身減重成為這一類新能源汽車的關鍵技術所在[6-8]。采用多軸向經編曲面復合材料制備的汽車殼體，質量僅為傳統鋼殼體質量的40%，可使車身大幅減重。另外，隨著汽車保有量逐漸增加，交通擁堵過程中，車輛之間的低速碰撞時有發生[9-13]，因此，對復合材料車門的抗低速碰撞性能進行模擬研究，符合汽車行業實際發展需要。

本文研究將多軸向經編曲面復合材料乘用車車門進行低速碰撞有限元模擬，從車門的功能和安全性能等方面，對材料損傷進行分析，同時將模擬結果與傳統鋼結構白車身車門進行對比，總結多軸向經編曲面復合材料的特點和優勢，研究成果將對該材料在未來新能源汽車領域的使用起到積極的推動作用。

1 材料與模型

1.1 多軸向經編復合材料

本研究中的多軸向經編曲面復合材料增強體為4層多軸向經編織物(見圖1)層合而成的[0°/+45°/90°/-45°]4結構(見圖2)。 樹脂基體為HS-2104-G60 不飽和聚酯樹脂(預促進)，在25 ℃下，加入1.5%的固化劑M-50，均勻混合后黏度為140～180 mPa·s，凝膠時間為50～70 min，其黏度較低，凝膠時間長，適用于樹脂傳遞模塑成型(RTM)和真空注射成型工藝。由于乘用車車門以曲面形式存在，因此在主要沖擊區域采用多軸向經編曲面結構，根據實際車門結構參數，曲率k設定為0.003 4 mm-1，多軸向經編復合材料結構圖見圖3所示。

圖1 [0°/+45°/90°/-45°]4織物激光掃描顯微照片Fig.1 Image of [0°/+45°/90°/-45°]4 by laser scanning microscope

圖2 多軸向經編復合材料增強體結構圖Fig.2 Architecture of MWK reinforcement

圖3 多軸向經編曲面復合材料Fig.3 Curved multi-axial warp-knitted composites

1.2 車門低速碰撞有限元模型

本文中選用的白車身車門是國內某品牌電動乘用車的駕駛席車門。通過Solidwork軟件建立車門三維模型，車門材料厚度為1.05 mm。同時，在車門模型上，分別定義多軸向經編曲面復合材料和傳統汽車結構鋼SAPH440的材料屬性(見表1)。在對模型做進一步的幾何修整以適應后續的computer aided emginoering(CAE)分析要求之后，將模型導入HyperMesh進行前處理，包括定義材料、網格劃分、定義邊界條件、定義接觸和沙漏控制等。其中：約束門邊緣所有自由度；網格類型為四邊形和三角形混合網格，得到網格數量為120 507個，三角形網格比例為3.9%；實心鋼球直徑為165 mm，質量為 4.2 kg，對鋼球施加3.2 m/s的初始速度，垂直于車門水平撞擊，定義碰撞計算時間為50 ms；設定鋼球為剛體不變形。然后在LS-DYNA程序下進行求解。乘用車車門低速碰撞有限元模型如圖4所示。

表1 多軸向經編曲面復合材料車輛殼體與汽車結構鋼SAPH440殼體的材料參數Tab.1 Parameters comparison between curved MWKC and SAPH440 for FEA

圖4 乘用車車門低速碰撞有限元模型Fig.4 Finite element model of car door low-velocity impact(a) Front view; (b) Side view

2 車門碰撞對比分析

為對比和揭示多軸向經編曲面復合材料車門(DC)與傳統SAPH440鋼材料車門(DS)在受到低速碰撞時的性能特點，本文在相同的車門結構模型上分別定義2種材料屬性(即：多軸向經編曲面復合材料材料和汽車生產企業普遍應用的汽車結構鋼)，分析2種材料車門的應力分布、車門變形量、侵入速度和車門內能。

2.1 應力分布

圖5示出DC與DS2種車門在鋼球撞擊達到最大行程(速度減為0時)時應力分布對比。由圖 5(a)可見，在鋼球撞擊達到最大行程時，DC承受最大應力為199 MPa，應力主要沿DC車門的x方向分布，應力集中點在鋼球的撞擊核心區域。與DC相比較，DS在鋼球速度為0時，車門承受最大應力為386 MPa，是前者最大應力的2倍。

圖5 DC和DS在鋼球撞擊達最大程度的應力分布對比Fig.5 Comparison of stress distribution between DC and DS

由圖5(b)可見，DS為SAPH440鋼材料，屬各向同性材料，其應力分布范圍較DC更為寬泛，幾乎分布在整個車門上，且出現多個應力集中點。但另一方面，DC所受應力主要集中在車門中間部位，因此車門的主要損傷和變形也集中在此區域。而DS在鋼球撞擊中心位置和車門上部，均出現了應力集中區，這2個位置成為車門損傷變形的主要區域；同時，由于應力在整個車門充分傳播，因此在應力集中區以外的多個位置也會出現不同程度的損傷和侵入變形。

在鋼球完成撞擊，反彈離開車門時，DC的最大應力為47 MPa，應力明顯減小，而DS在此時的最大應力仍為356 MPa，無明顯變化，如圖6所示。在鋼球撞擊完成時，DC車門的應力已經迅速減弱，而與此同時，車門并沒有出現大范圍變形，這說明DC車門在受到低速撞擊時，內部結構對應力的傳播和能量的消散起到了重要的作用，有效地緩解了應力的集中。同時，與SAPH440鋼材料車門DS相比，多軸向經編曲面復合材料車門DC發生的塑性變形范圍更小，其彈性優于傳統SAPH440鋼材料車門DS，且碰撞后恢復能力強。

圖6 DC和DS在鋼球反彈離開車門時的應力分布對比Fig.6 Comparison of stress distribution between DC and DS at impact away from door

2.2 車門侵入量

圖7、8分別示出DC和DS在相同時間節點的鋼球位移云圖對比。

圖7 DC車門在多個時間節點的鋼球位移云圖Fig.7 Displacement of DC at multi time nodes

由圖可看出，在相同時間點上DC鋼球位移量均大于DS上的鋼球位移量(lmax)，但是從云圖上看，前者的車門變形范圍要明顯小于后者。也就是說，在相同的時間條件下，鋼球在DC車門上的位移侵入量要高于DS，即DC在y方向上的變形比DS更大，但是在x和z方向上的變形，前者小于后者。在共計50 ms的碰撞過程中，DC上的鋼球最大位移為60.2 mm，出現在第26.5 ms，而DS上的鋼球最大位移為35.5 mm，出現在第18.5 ms(見圖9)。

圖8 DS車門在多個時間節點的鋼球位移云圖Fig.8 Displacement of DS at multi time nodes

圖9 DC和DS鋼球最大位移對比Fig.9 Comparison of impactor max displacement between DC (a) and DS (b)

為進一步說明二者位移侵入量的差別，在2種車門變形最大的位置選取單元，考察和對比2種車門在該單元上車門侵入量，如圖10所示。由2種車門鋼球沖擊的位移-時間曲線可知，在車門最大變形區，DC鋼球位移距離是DS車門鋼球位移距離的1.6倍，且在所提取單元上，后者的鋼球最大位移出現時間早于前者。

圖10 提取單元的位移-時間曲線Fig.10 Resultant displacement-time plots for selected element

2.3 侵入速度

圖11 提取單元的速度-時間曲線Fig.11 Resultant velocity-time plots for selected element

為考察鋼球位移侵入速度，本研究中提取了相同區域單元上的速度-時間曲線。通常而言，侵入速度曲線變化越是平緩，且侵入速度越小，則對車內成員的傷害越小[14-18]。通過2種車門的對比，二者的鋼球侵入速度均在碰撞初期急劇上升，迅速達到3.2 mm/ms的初始速度，在與車門撞擊后，鋼球速度下降，即表現為圖11中2條曲線的谷值，且DS下降更快。這說明，在鋼球撞擊車門的過程中，DS的SAPH440鋼材料迅速地發生了塑性變形，使得鋼球在較短的時間內減速，而DC的MWKC材料則表現出了更強的彈性形變特征。

2.4 車門內能

在車門碰撞中，內能的變化是反映車門能量吸收性能的主要指標[19-20]。由圖12所顯示的能量-時間變化曲線可知，兩種車門在低速碰撞過程中，車門內能與系統動能此消彼長，總能量保持不變，與能量守恒定律相吻合。通過對比發現，DC的車門內能峰值達到20.5 kJ，而DS的車門內能峰值為18 kJ，即：MWKC材料車門DC的能量吸收性能優于SAPH440鋼材料車門DS。

圖12 能量-時間變化曲線Fig.12 Energy-time plots

3 結 論

本文將多軸向經編曲面復合材料的材料屬性定義于乘用車車門結構上，并對具有曲面特征的車門進行建模，以SAPH440鋼材料車門性能作為對比項，進行低速碰撞有限元模擬，并從曲面車門的應力分布、車門侵入量、侵入速度和車門內能等方面進行全面的對比分析，得到結論如下。

1)與SAPH440鋼材料車門DS相比，多軸向經編曲面復合材料車門DC在受到低速沖擊時，應力在車門表面的分布范圍較小，且車門整體塑性變形更小。DC碰撞后恢復能力強，且不易產生應力集中。

2)在能量吸收性能方面，由于具有曲面結構的MWKC材料在受到低速碰撞時，曲面出現下凹、形變，在此過程中，由MWKC材料的增強結構特征所致，車門通過基體開裂和纖維斷裂等損傷有效地吸收了部分能量，使得DC車門在能量吸收性能上，更優于DS。

3)在保護車內成員安全方面，雖然在y方向上的車門侵入量高于SAPH440鋼材料車門DS，但是在x和z方向的變形量明顯低于DS，多軸向經編曲面復合材料車門DC未出現大面積潰縮，在保證了能量吸收性能的同時，整體結構更加完好，即：MWKC材料車門DC是通過材料內部的損傷，如基體開裂、紗線斷裂、層間剪切等形式，來實現能量吸收，而不是通過整體結構的大變形，因此，多軸向經編曲面復合材料車門DC的使用，將在一定程度上提升車輛的安全等級，保護車內乘客安全。

4)多軸向經編曲面復合材料汽車殼體是理想的車身減重材料，與同尺寸的傳統鋼材質殼體相比，質量可減輕60%。

綜合而言，多軸向經編曲面復合材料在汽車殼體上的應用，將對乘用車殼體材料的應用提供新的思路，并且對新能源汽車的開發具有積極的影響。

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