碳纖維預(yù)成型板耐久性研究

劉志雷

河北工業(yè)職業(yè)技術(shù)大學(xué) 河北石家莊 050091

近年來(lái)，能源危機(jī)和環(huán)境污染，使汽車輕量化顯得尤為重要，碳纖維復(fù)合材料（CFRP）由于其優(yōu)越的力學(xué)性能，如高機(jī)械強(qiáng)度和彈性模量、低密度、耐熱性、可設(shè)計(jì)性，在汽車結(jié)構(gòu)中被廣泛應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)其在汽車結(jié)構(gòu)上的輕量化設(shè)計(jì)均進(jìn)行了相關(guān)研究。因此，以碳纖維預(yù)成型板材的實(shí)際應(yīng)用情況、耐久性分析為基礎(chǔ)，不斷改良優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，可以逐漸提升碳纖維材料的應(yīng)用效率，在提升碳纖維技術(shù)水平的同時(shí)，對(duì)制造行業(yè)的發(fā)展具有重要意義。

1 參數(shù)確定與模型構(gòu)建

1.1 碳纖維復(fù)合材料參數(shù)確定

研究為保證工程常數(shù)準(zhǔn)確性，以力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，圍繞環(huán)氧樹(shù)脂、碳纖維兩種材料的抗拉強(qiáng)度、彈性模量、密度等情況進(jìn)行分析，如表1所示。將勾兌好的材料注入B柱鋪設(shè)磨具中，具體為將環(huán)氧樹(shù)脂兩種調(diào)劑按照4:1的質(zhì)量進(jìn)行混合，隨后加入到RTM中，等到磨具內(nèi)的碳纖維完全濕潤(rùn)后，再放置到烘干箱內(nèi)固化3小時(shí)以上[1]。等到碳纖維復(fù)合板材成型后，利用ASTM試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，將其調(diào)整至特定形狀以供后續(xù)的力學(xué)測(cè)試，本次研究的試驗(yàn)機(jī)型號(hào)為WANCE-ETB-B。由于碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)變系數(shù)較小，如果采用傳統(tǒng)的應(yīng)變測(cè)試計(jì)算體系，容易產(chǎn)生諸多誤差，本次試驗(yàn)為保證測(cè)量系統(tǒng)的應(yīng)變、力學(xué)性能測(cè)試準(zhǔn)確性，將采用0°至90°拉伸測(cè)試，0°至90°壓縮測(cè)試，以及±45°的剪力測(cè)試。

表1 碳纖維復(fù)合材料參數(shù)情況

1.2 碳纖維復(fù)合材料有限元建模

碳纖維復(fù)合材料有限元模型的建立，要應(yīng)用CATLA軟件，將復(fù)合材料的各類參數(shù)信息輸入到軟件中，對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分，對(duì)同性材料與各向異性材料進(jìn)行匯總，其中B柱總成的外板材質(zhì)為DC54D鋼，該材料的密度為7.90g/cm3，泊松比為0.34，彈性模量為220GPa；碳纖維復(fù)合材料采用膠粘方式，結(jié)構(gòu)膠的彈性模量為0.9GPa，材料的密度為1.37g/cm3，泊松比為0.36。因此本次研究采用具有對(duì)稱性的鋪層方案，將鋪層總厚度設(shè)定為4.8mm[2]。

2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 自由尺寸優(yōu)化

確定B柱總成的碳纖維復(fù)合板材質(zhì)后，還要對(duì)應(yīng)用尺寸進(jìn)行優(yōu)化，由于B柱的應(yīng)用質(zhì)量與耐久性與板材厚度存在直接關(guān)系，想要保證一定范圍的耐久度，便會(huì)對(duì)板材厚度提出嚴(yán)格要求，然而厚度逐漸提升，也會(huì)增加整體車身重量，對(duì)駕駛效果與油料損耗構(gòu)成影響。因此要保證所有單元格處于最佳厚度，這樣才能保證駕駛安全的基礎(chǔ)上，最大化的降低車輛油耗[3]。將碳纖維復(fù)合料按照SMEAR方式進(jìn)行鋪層，得到預(yù)成型板材的平均力學(xué)性能系數(shù)，隨后針對(duì)加強(qiáng)版的尺寸、厚度調(diào)整優(yōu)化，公式如下：。

上述公式中，將t設(shè)定為鋪層的優(yōu)化厚度，本次優(yōu)化選擇常用的0°，±45°，90°四個(gè)角度鋪層作為超級(jí)層，根據(jù)模擬和整合，最終求出B柱總成的鋪層優(yōu)化厚度，根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)建立約束條件。

2.2 尺寸優(yōu)化

尺寸優(yōu)化指的是根據(jù)自由尺寸優(yōu)化后得到的超級(jí)層厚度，對(duì)B柱總成的鋪層形狀進(jìn)行確認(rèn)，可以將所有超級(jí)層由j個(gè)小層級(jí)組成，從而對(duì)整個(gè)有限元模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，保證所有小層級(jí)的具體厚度處于超級(jí)層優(yōu)化范圍內(nèi)，具體的優(yōu)化變量公式為：

本次優(yōu)化將每個(gè)超級(jí)層由四個(gè)小層級(jí)進(jìn)行表示，因此將j取值為4，可以簡(jiǎn)化為16個(gè)小層級(jí)。結(jié)合超級(jí)層與小層級(jí)的厚度變化，計(jì)算碳纖維復(fù)合板在拉伸、側(cè)向彎曲、后向彎曲等情況下的應(yīng)力變化，并且將原有的鋼制B柱板材的試驗(yàn)結(jié)果作為約束條件，也就是針對(duì)不同測(cè)試條件下鋼制B柱總成與碳纖維B柱總成的變化進(jìn)行對(duì)比[4]。

2.3 鋪層角度次序優(yōu)化

對(duì)于碳纖維板的應(yīng)用性能來(lái)說(shuō)，鋪層厚度、鋪層角度都會(huì)形成直接影響，因此還要對(duì)鋪層角度進(jìn)行次序優(yōu)化，通過(guò)對(duì)不同的鋪層厚度、鋪層角度方案進(jìn)行搭配，測(cè)試得出最優(yōu)的應(yīng)用方案，保證碳纖維B柱板的性能得到強(qiáng)化，優(yōu)化變量公式如下：

2.4 剛度結(jié)果對(duì)比

結(jié)合優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，對(duì)碳纖維混合預(yù)成型B柱板進(jìn)行制作，將初始鋼化B柱板材，利用碳纖維復(fù)合板材制作初始鋪層的板材，以及使用先進(jìn)復(fù)合材料制作B柱板的板材進(jìn)行綜合對(duì)比，針對(duì)外板厚度、加強(qiáng)板厚度、外板質(zhì)量、加強(qiáng)板質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)模態(tài)、彎曲模態(tài)、軸向變形、后向變形、側(cè)向變形等項(xiàng)目進(jìn)行綜合對(duì)比，結(jié)果如表2所示。

表2 剛度對(duì)比結(jié)果

結(jié)合數(shù)據(jù)結(jié)果能夠看出，無(wú)論是4.8mm對(duì)稱鋪層方案制成的B柱總成，還是采用全新碳纖維復(fù)合材料制作的B柱總成，各類項(xiàng)目的應(yīng)用數(shù)據(jù)均優(yōu)于原始鋼制B柱總成，而且全新碳纖維復(fù)合板材的質(zhì)量更輕，扭轉(zhuǎn)模態(tài)效果更好，彎曲模態(tài)、軸向變形、后向變形、側(cè)向變形不存在過(guò)剩問(wèn)題，材料得到充足應(yīng)用，可以發(fā)揮出B柱總成的結(jié)構(gòu)性能作用，優(yōu)化結(jié)果比較理想[5]。

3 整車側(cè)碰仿真分析

3.1 基于LS-DYNA模型建立

應(yīng)用LS-DYNA進(jìn)行整車側(cè)碰仿真分析，進(jìn)一步驗(yàn)證以碳纖維復(fù)合材料為鋪層材料的B柱總成應(yīng)用性能，分別針對(duì)裝有鋼制板材的車輛以及碳纖維復(fù)合板材的車輛進(jìn)行碰撞測(cè)試，加強(qiáng)版與外板采用膠連接方式，保持B柱與其他相鄰部件的連接關(guān)系牢靠，與原版鋼制B柱總成的連接方式相同。本次模型賦予50km/h的初始速度，計(jì)算時(shí)間為15s，通過(guò)對(duì)車輛碰撞中的動(dòng)能、內(nèi)能、能量曲線變化情況進(jìn)行匯總，同時(shí)還要結(jié)合沙漏能數(shù)值，驗(yàn)證計(jì)算碰撞過(guò)程中是否處于能量守恒，保證B柱總成碰撞測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性。根據(jù)測(cè)試結(jié)果來(lái)看，采用碳纖維復(fù)合材料的B柱加強(qiáng)板的整車碰撞后最大位移為1260mm，而原始車輛采用鋼制B柱板的整車碰撞后最大位移為1295mm，從車輛位移情況來(lái)看，碳纖維復(fù)合板的整車碰撞效果優(yōu)于未經(jīng)改良的鋼制B柱板，采用碳纖維復(fù)合板后，結(jié)構(gòu)減重為77.5%，與鋼板B柱對(duì)比，強(qiáng)度增加2.8%，變形比例減小13.9%。

3.2 整車側(cè)碰結(jié)果分析

針對(duì)整車碰撞后的數(shù)據(jù)展開(kāi)深入分析，以兩種材質(zhì)B柱總成的侵入量與侵入速度作為參數(shù)，具體情況如表3所示。

表3 B柱侵入量及速度

根據(jù)上述數(shù)據(jù)可知，對(duì)于原鋼制（DC54D鋼）B柱總成與碳纖維復(fù)合（CFRP）B柱總成，B柱上部的動(dòng)態(tài)侵入量為51.21mm與48.26mm，B柱下部的動(dòng)態(tài)侵入量為104.55mm與99.21mm，變化情況均能看出碳纖維預(yù)成型板材的應(yīng)用效果良好，同時(shí)結(jié)合動(dòng)態(tài)侵入速度來(lái)看，B柱上部的動(dòng)態(tài)侵入速度為9.28m/s與9.26m/s，B柱下部的動(dòng)態(tài)侵入速度為9.21m/s與8.95m/s，上部與底部的動(dòng)態(tài)侵入速度較為遲緩，可以最大化的保證車輛整體架構(gòu)，提升對(duì)車內(nèi)駕駛乘坐人員的安全保障。

與此同時(shí)，結(jié)合測(cè)試車輛內(nèi)假人的頭部、上肋、中肋、下肋、腹部等受力情況，也可以對(duì)兩種材質(zhì)B柱板的應(yīng)用質(zhì)量展開(kāi)對(duì)比，根據(jù)結(jié)果可以看出，采用碳纖維預(yù)成型的B柱板應(yīng)用效果均優(yōu)于傳統(tǒng)的鋼制B柱板，在動(dòng)態(tài)侵入量以及動(dòng)態(tài)侵入速度兩個(gè)方面都得到準(zhǔn)確體現(xiàn)。

對(duì)于B柱的動(dòng)態(tài)侵入速度來(lái)講，帶有碳纖維復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞速度與金屬B柱加強(qiáng)板的整車側(cè)面碰撞的速度相差不大，而且在中部的速度變化趨勢(shì)要更趨于平緩。對(duì)應(yīng)假人的頭部、上肋、中肋、下肋、腹部的動(dòng)態(tài)最大侵入量和最大侵入速度的對(duì)比，由對(duì)比結(jié)果可以分析，碳纖維復(fù)合材料加強(qiáng)板方案B柱總成上，假人對(duì)應(yīng)的最大侵入量總體比原金屬方案小，最大侵入速度趨于均值，有利于對(duì)假人的保護(hù)。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用，對(duì)現(xiàn)代制造行業(yè)的工藝革新具有良好的推動(dòng)作用，尤其是汽車制造行業(yè)，為滿足車輛重量輕、安全系數(shù)高、成本低的綜合要求，必須在材料應(yīng)用中作出調(diào)整優(yōu)化，B柱總成是維系車輛框架穩(wěn)定性的主要部分，采用碳纖維成型板進(jìn)行替換，可以取得良好的應(yīng)用成果。本文針對(duì)碳纖維B柱板的應(yīng)用性能進(jìn)行測(cè)試，首選闡述復(fù)合材料的參數(shù)與模型構(gòu)建，其次提出結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，最后進(jìn)行整車側(cè)碰仿真分析，結(jié)果如下：采用碳纖維復(fù)合板后，結(jié)構(gòu)減重為77.5%，與鋼板B柱對(duì)比，強(qiáng)度增加2.8%，變形比例減小13.9%，多個(gè)方面均說(shuō)明碳纖維預(yù)成型板具有良好應(yīng)用價(jià)值，且耐久性良好。