基于碳纖維復合材料的新能源汽車前車門輕量化設計研究

曹思琳

摘要：為實現汽車前車門的輕量化，研究采用碳纖維復合材料作為汽車車門制造的核心原料，在滿足汽車對性能和裝配的要求下，通過該材料進行汽車車門的結構設計與鋪層優化，最大限度地降低新能源汽車的整體質量。利用有限元分析軟件建立汽車前車門有限元模型，該模型內部包含Ply+Stack方式，通過該方式可完成碳纖維復合材料鋪層的定義，有利于設計者清晰地觀察到碳纖維復合材料的鋪層結構，實現碳纖維復合材料的可視化定義。將該材料應用于新能源汽車前車門的輕量化設計，汽車輕量化效果為54.94%，達到了碳纖維復合材料的設計目的及要求。

關鍵詞：碳纖維復合材料;新能源;汽車前車門;輕量化

中圖分類號：U463.83+4;TQ050.4+3 文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2022）07-0069-04

Lightweight design of front door of new energy vehicle

based on carbon fiber composite material

CAO Silin

（Shaanxi College of Communication Technology， College of Automotive Engineering， Xian 710018， China）

Abstract：In order to achieve the light weight of the front door of the car， this study used carbon fiber composite material as the core material of the car door manufacturing， under the requirement of the performance and assembling of the car， to minimize the overall weight of new energy vehicles through the material of the car door structure design and optimization. Finite element analysis software was used to establish the finite element model of the front door of the car. The model contained Ply+Stack mode， through which the definition of carbon fiber composite material paving could be completed， which was beneficial for designers to clearly observe the layer structure of carbon fiber composite material and realize the visual definition of carbon fiber composite material. The material was applied to the lightweight design of the front door of a new energy vehicle， and the lightweight effect of the vehicle was 54.94%， which met the design purpose and requirements of carbon fiber composite material.

Key words：carbon fiber composites; new energy sources; car front door; lightweight

隨著我國科技的不斷進步，碳纖維復合材料逐漸出現在人們的日常生活中，該材料屬于一種性能十分優異的新型復合材料，被廣泛應用與航天、軍事等該高科技領域。近年來，汽車的發展方向向著節能化、環保化靠攏，使碳纖維復合材料成為汽車輕量化的重要舉措之一。碳纖維復合材料具有較高的比強度和比模量等優勢，將該材料應用于汽車輕量化設計中，有利于最大限度地減少汽車的整體質量。為此本研究主要對新能源汽車前車門輕量化設計進行研究，對于汽車制造領域的發展具有重要意義。

1碳纖維復合材料的基本屬性

1.1碳纖維復合材料概述

碳纖維復合材料實際上是由兩種或兩種以上不同性質的材料共同組成，系經過一系列專業的處理后，形成具有較強優勢性能的材料。該材料由于內部組成成分的不同，可形成多相組成的形態。碳纖維復合材料主要分為基體和增強體兩部分，二者之間在性能上屬于相互彌補關系，可通過協同效應對碳纖維復合材料的性能進行提升，滿足汽車領域對碳纖維復合材料的各種需求[1]。

碳纖維是一種連續細絲碳材料，該材料作為復合材料的增強體，其直徑范圍在6～8 μm。為更好的適應多種領域對該材料的需求，本研究結合該材料基體的差異性將其劃分為多種類型的復合材料。其中，應用最為廣泛的材料為碳纖維復合材料;而碳纖維復合材料根據自身所用基體樹脂的不同，又可劃分為熱塑性樹脂以及熱固性樹脂。最終經過一系列分析，選擇環氧樹脂基體的碳纖維復合材料進行汽車輕量化設計[2]。

1.2碳纖維復合材料特性分析

1.2.1復合材料力學性能

通過將碳纖維復合材料與其他材料進行對比可知，該材料具有較高的比強度和比模量，可取代鋁作為汽車結構制造的主要材料，這有利于最大限度地減少汽車的整體質量，其效率高達20%～40%。碳纖維復合材料與其他材料性能對比結果如表1所示[3]。

1.2.2復合材料耐疲勞性能

材料疲勞性指的是材料在使用過程中存在多種應力的干擾，在多種應力的反復作用下可出現疲勞現象。若將出現疲勞現象的材料應用于產品制造中，可造成產品的物理機械性能產生裂口、破壞等，最終喪失制品的使用價值。耐疲勞性指的是該材料可承受多種應力的反復作用，并且可保證制品的使用價值。碳纖維復合材料主要由壓層構成，該壓層可最大限度地提升材料的疲勞強度，其數值為90%[4]。

1.2.3復合材料耐腐蝕性能

耐腐蝕性指的是碳纖維復合材料可抵抗周圍介質的腐蝕性。碳纖維復合材料的基體為環氧樹脂，在環氧樹脂的支持下可使碳纖維復合材料具有良好的耐酸堿性，即使在酸堿環境下，仍可保證材料的自身性能。

2基于碳纖維復合材料的新能源汽車前車門輕量化設計

2.1碳纖維復合材料前車門有限元模型構建

本研究對新能源汽車前車門進行有限元分析時，為最大限度地減少網格數量，現只對新能源汽車前車門的結構件進行分析。當前碳纖維復合材料被廣泛應用于多種領域，將該材料應用于新能源汽車的車門制造，在滿足汽車對性能和裝配的要求下，利用結構設計與鋪層優化，最大限度地降低汽車車門的整體質量，有利于提升新能源汽車的性能。為實現汽車減重的目的，通過輕量化技術將汽車前車門的內外板上集成部分零件，并對前車門內外板的結構特性進行簡化。將原本的工藝孔去除，該方法可有效降低汽車的質量[5]。

為實現碳纖維復合材料的可視化定義，本研究利用有限元分析軟件建立汽車前車門有限元模型，該模型內部包含Ply+Stack方式，通過該方式可完成碳纖維復合材料鋪層的定義，具有較強的直觀性，有利于設計者清晰地觀察到碳纖維復合材料的鋪層結構。碳纖維復合材料可視化定義流程：首先在Ply卡片中完成碳纖維復合材料的鋪層設計，對每一層鋪層的區域及厚度進行精確定義。實現碳纖維復合材料鋪層的定義后，利用Stack卡片按照一定排列順序將定義成功的Ply卡片疊加在一起，即可實現碳纖維復合材料的可視化定義，并且該方式具有較強的精準度。

2.2碳纖維復合材料汽車前車門模態分析

本研究對碳纖維復合材料前車門進行模態分析時，主要將信號域識別技術作為核心，充分結合識別信號域的差異性對前車門模態的識別方法進行劃分，前車門模態的識別方法主要包括兩種：頻域方法、時域方法。其中頻域方法對模態進行識別時的主要流程為：首先將時域信號轉化為該方法可以識別的頻域信號，通過對頻域信號即可實現碳纖維復合材料前車門的模態識別。時域方法的車門模態識別流程為：首先確定汽車前車門結構的實測時間，將該時間相應在模態中，利用該方式即可完成識別，該方法的識別參數包括振動頻率、阻尼等。為最大限度地降低模態之間存在的耦合現象，只對汽車的局部模態頻率進行研究，有利于防止汽車出現共振情況，碳纖維復合材料汽車前車門模態分析結果如表2所示[6]。

2.3碳纖維復合材料汽車前車門剛度分析

由于汽車前車門的密封性與剛度之間存在一定關系，汽車前車門出現較大的變形現象，可直接造成汽車前車門的密封性被破壞。若汽車前車門的剛度足夠大，可有效避免車門出現變形現象，有利于提升車門的密封性。為此，本研究對汽車前車門的下彎、扭轉以及汽車內外板剛度進行分析，利用對比分析的方式實現參考值與車門剛度之間的比較，其分析結果顯示，該車門各種類型的剛度均大于參考值，具有較強的剛度特性。碳纖維復合材料汽車前車門剛度分析結果如表3所示。

2.4碳纖維復合材料汽車前車門靜強度分析

為驗證使用碳纖維復合材料作為主要生產原料的汽車前車門的基本性能，本研究采用靜強度分析的方式對汽車前車門的性能進行研究。通常情況下靜態強度主要包括過開以及下垂靜強度分析。研究結果顯示，使用碳纖維復合材料制作的汽車前車門具有較強的可靠性以及耐久性，有利于提升汽車的安全性[7]。

2.4.1汽車前車門過開靜強度

對汽車前車門的過開靜強度進行分析時，其分析流程為：

（1）將汽車前車門開起至66°最大角度，從車門的鉸鏈安全點開始，分別沿著正負X向和Y向對白車身有限元模型進行截取，將白車身的斷面和炮塔處約束為SPC1-6;

（2）加載車門自重G分析，然后保持自重G;

（3）從鎖扣處沿著車門外板面以垂直方向施加400 N的力，并進行位移分析;然后，再次保持自重G，卸載對鎖扣處的400 N力，并進行位移分析。

2.4.2汽車前車門下垂靜強度

對汽車前車門的下垂靜強度進行分析，其分析流程為：

（1）從車門的鉸鏈安全點開始，分別沿著正負X向和Y向對白車身有限元模型進行截取，對車門微開15°和全開66°的工況進行精準記錄;

（2）將白車身的斷面和炮塔處約束為SPC1-6，在鎖扣位置對車門外板的垂向自由度進行約束;并對汽車前車門進行自重G分析。在保證該重力的情況下，完成車門垂向自由度的釋放;

（3）在鎖扣處對車門外板施加1 000 N的力，對下垂位移進行分析;再次保持自重G，卸載1 000 N力后對下垂位移再次進行分析。

碳纖維復合材料汽車前車門下垂靜強度分析結果如表4所示[8]。

通過對表4中數據進行分析可知，使用碳纖維復合材料作為車門的核心材料，有利于提升前車門的過開以及下垂靜強度，其各項指標數據均優于金屬車門，可最大限度地滿足新能源汽車前車門對性能的多種要求。

結合碳纖維復合材料的優勢對新能源汽車前車門進行輕量化設計，可實現新能源汽車的減重目的。最終通過計算可知，汽車輕量化效果為54.94%，達到了碳纖維復合材料的設計目的及要求。

3結語

本研究為實現汽車輕量化，憑借碳纖維復合材料的多種優勢，將該材料應用于新能源汽車的車門制造中，并對汽車的前車門進行主要研究。當前碳纖維復合材料被廣泛應用于多種領域，在滿足汽車對性能和裝配的要求下，利用結構設計與鋪層優化，最大限度地降低汽車車門的整體質量，有利于提升新能源汽車的性能。為實現汽車減重的目的，通過輕量化技術將汽車前車門的內外板上集成部分零件，并對前車門內外板的結構特性進行簡化。將原本的工藝孔去除，該方法可有效降低汽車的的量。利用有限元分析軟件建立汽車前車門有限元模型，實現碳纖維復合材料的可視化定義。將該材料應用于新能源汽車前車門的輕量化設計，可實現新能源汽車的減重目的，汽車輕量化效果為54.94%，達到了碳纖維復合材料的設計目的及要求。

【參考文獻】

[1]李軍，冷川.基于RBF神經網絡模型的車門多目標輕量化設計[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2019（11）：127-132.

[2]徐作文，陳偉，趙春.碳纖維復合材料汽車前車門輕量化設計與分析[J].科技創新與應用，2018（36）：79-81.

[3]耿少飛，向宇，石梓玉.基于Hypermesh和靈敏度分析的某車型車門輕量化設計[J].汽車實用技術，2018（23）：234-238.

[4]陳林山，陳翔.塑料與復合材料在汽車輕量化設計中的應用[J].塑料工業，2017（7）：103-106.

[5]顧任飛，苗潔，馬俊淑.組合纖維材料對皮鞋濕舒適性的影響及綜合評價研究[J].中國皮革，中國皮革. 2021，50（3）：1-7.

[6]王俊峰，陳美玉，王峻峰.基于性能要求的汽車尾門輕量化設計研究[J].汽車實用技術，2020（3）：75-78.

[7]朱曉，袁劉凱，楊情操，等.輕量化設計在輕型商用車車架上的應用[J].上海汽車，2020（3）：28-31.

[8]孫元，宋愷，李軍領.基于歐標法規的重卡前下防護輕量化設計[J].汽車實用技術，2017（4）：32-33.