汽車B柱加強板碳纖維設(shè)計淺析

杜治雄 王澤 王旭東 朱光輝

摘 要：采用碳纖維復(fù)合材料替代鋼材，通過結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化對B柱加強板進行輕量化設(shè)計，與傳統(tǒng)鋼件相比重量減輕1.183Kg，減重55%，同時采用CAE仿真碰撞分析，CAE分析結(jié)果與實際基本相符，滿足產(chǎn)品設(shè)計要求。文中以眾泰汽車某SUV車型為例，簡單介紹了B柱加強板設(shè)計方法。

關(guān)鍵詞：輕量化;碳纖維;B柱加強板

0 引言

目前汽車工業(yè)的發(fā)展面臨著三大主題：節(jié)能、環(huán)保和安全。汽車輕量化是節(jié)能減排的重要方法和途徑，汽車輕量化技術(shù)包括汽車結(jié)構(gòu)的合理設(shè)計和輕量化材料的使用，其中輕量化材料的使用是車身減重的主流方式。

本文通過采用碳纖維復(fù)合材料取代鋼材，對車身B柱加強板進行材料替換和結(jié)構(gòu)集成再設(shè)計，利用拓撲優(yōu)化技術(shù)優(yōu)化設(shè)計碳纖維B柱總成，并通過Nastran軟件優(yōu)化碳纖維在零件中的取向分布，減少零部件變形，得出最優(yōu)的碳纖維B柱加強板結(jié)構(gòu)。

1 材料及生產(chǎn)工藝選擇

由于碳纖維存在橫向及縱向兩個方向彈性模量，無法按等剛度替換來計算碳纖維料厚，暫按橫向模量計算，碳纖維料厚初步按t≈1.7T（t為碳纖維零部件厚度，T為鈑金件零件厚度）定義;考慮零件屈服，碳纖維屈服完全大于鋼材，初步采用T300的碳纖維原材料。

經(jīng)調(diào)研目前碳纖維零件在車身上的常規(guī)連接主要采用的是膠粘+鉚接的連接方式，經(jīng)試驗分析，選取常溫固化的雙組份膠及普通鉚接螺釘進行連接。

2 碳纖維結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

通過將B柱加強板中的支撐板替換為碳纖維零部件后，在達到相同側(cè)撞性能時，以此來分析碳纖維的減重效果。依據(jù)B柱結(jié)構(gòu)，復(fù)合B柱加強板包括1#鈑金加強板、3#小支架及2#的復(fù)合材料的內(nèi)加強板。其中采用殼單元進行模擬，網(wǎng)格尺寸為5mm，使用Nastran軟件進行分析求解。

將B柱總成，金屬和復(fù)合材料力學(xué)性能代入Nastran軟件，對各種方案的自由模態(tài)、軸向壓縮、后向彎曲、側(cè)向彎曲、3點彎工況等5種狀態(tài)進行對比分析，以得出最優(yōu)方案。

先行選取以下幾種方案來進行對比分析B柱總成的剛度及強度，通過對比分析得出最優(yōu)結(jié)構(gòu)。

此項目為金屬改制為碳纖維項目，主要對以下三種料厚進行分析：

（1）A1.8（料厚1.8mm）方向：該方案金屬板結(jié)構(gòu)形式和厚度（1.8mm）均保持不變，原2#金屬板改為復(fù)合材料加強板，對其厚度和結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化;

（2）A1.5（料厚1.5mm）方向：該方案金屬板結(jié)構(gòu)形式不變，厚度減薄至1.5mm，原2#金屬板改為復(fù)合材料加強板，對其厚度和結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化;

（3）A1.6（料厚1.6mm）方向：厚度減薄至1.6mm，原2#金屬板改為復(fù)合材料加強板，對其厚度和結(jié)構(gòu)形式進行優(yōu)化。

經(jīng)過多輪優(yōu)化分析，最終分析結(jié)論如下：

A1.6方案剛度和原金屬方案匹配度最高，但減重效果一般;A1.8方案工藝難度最小，成本最低，但減重效果最差;A1.5方案減重效果最好，但需多開模具，工藝最復(fù)雜，成本最高。

綜合成本、工藝以及性能等方面考慮，A1.6方案符合目前的要求。依據(jù)A1.6方案進行整車CAE分析。因B柱加強板金屬結(jié)構(gòu)的3點彎強度關(guān)系到整車碰撞的強度，則此復(fù)合材料性能主要從車身在大壁障50km/h速度碰撞下車身侵入量和侵入速度這兩個方面來考量。大壁障碰撞模型中臺車質(zhì)量為1400kg，以時速50km/h的速度撞向整車。此時考量車身侵入量和侵入速度。收集分析參數(shù)如表1。

3 試驗結(jié)果分析

通過表1對比數(shù)值可以看出，主要的4個考核點中碳纖維制作的B柱加強板有3個考核點優(yōu)于金屬方案，性能具備明顯優(yōu)勢，能夠滿足整車強度性能。B柱加強板的強度關(guān)系到整車碰撞的強度，經(jīng)驗證分析，碳纖維B柱加強板白車身在性能達到原鋼制白車身的情況下，單件減重可達55%以上，減重效果顯著。

4 結(jié)論

本文通過國產(chǎn)品牌汽車開發(fā)，應(yīng)用碳纖維車身鈑金件，并對其進行CAE分析，確認B柱加強板應(yīng)用碳纖維材料技術(shù)的優(yōu)勢，形成技術(shù)儲備。目前國內(nèi)碳纖維尚處于起步階段，原材料及生產(chǎn)工藝明顯落后于國外，且成本較高，但隨著未來碳纖維技術(shù)的成熟及發(fā)展，碳纖維材料必將大批量應(yīng)用于車身，大大提升整車的強度以及未來對汽車滿足輕量化的要求。

參考文獻：

[1]范云飛，孫然然.輕量化汽車材料技術(shù)的最新動態(tài)[J].工業(yè)B，2015（05）：51.

作者簡介：杜治雄（1982-），男，湖北荊門人，本科，助理工程師，研究方向：汽車研發(fā)。