汽車復(fù)合材料縱梁吸能特性研究＊

朱艷榮 崔岸 葉輝 蒲永鋒

（吉林大學(xué)，汽車仿真與控制國家重點實驗室，長春 130022）

1 前言

近年來，國內(nèi)外學(xué)者對復(fù)合材料前縱梁進行了大量的研究。Oliver Tomlin[3]等驗證了熱塑性復(fù)合材料應(yīng)用于低碳汽車的可行性，結(jié)果表明有限元軟件LS-Dyna中的58號材料模型一致性較高。Paolo Feraboli[4]等研究了LS-Dyna中54號材料模型正弦波紋板軸向碰撞的模擬，通過改變單元網(wǎng)格大小、退化剛度值等參數(shù)設(shè)置進行數(shù)值仿真和靈敏度分析。Simonetta Boria[5]對汽車復(fù)合材料碰撞吸能裝置進行數(shù)值模擬，設(shè)計了不同長度和厚度的圓形、方形管，為能量衰減裝置提供了設(shè)計基礎(chǔ)。龔俊杰[6]等對復(fù)合材料圓柱殼準(zhǔn)靜態(tài)軸向壓縮和低速碰撞過程進行了數(shù)值模擬，獲得了反映吸能能力的重要參數(shù)，說明采用參數(shù)等效的方法可以得到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)耐撞性設(shè)計中需要的吸能參數(shù)。

本文的研究基于Hashin失效準(zhǔn)則，使用仿真軟件Abaqus進行汽車前縱梁模型正碰仿真分析，對比3種材料的吸能特性，并對復(fù)合材料的鋪層進行優(yōu)化設(shè)計。

2 汽車前縱梁模型與仿真方法驗證

根據(jù)經(jīng)驗，傳統(tǒng)汽車鋼制材料前縱梁大多數(shù)采用U形結(jié)構(gòu)，而復(fù)合材料前縱梁由于其特殊的加工性，較多設(shè)計成簡單的管狀或者桁架結(jié)構(gòu)，選用文獻[3]中一種“帽形”前縱梁結(jié)構(gòu)進行試驗驗證和后續(xù)仿真與優(yōu)化。如圖1a所示，縱梁尺寸為375 mm×40 mm×70 mm，翻邊尺寸為10 mm，試件為玻璃纖維增強聚酰胺帽型結(jié)構(gòu)梁，采用的基體材料為聚酰胺，增強纖維采用玻璃纖維。長度L=375 m，鋪層厚度3.52 mm，共16層，剛性墻質(zhì)量69 kg，剛性墻碰撞前縱梁速度為15.2 m/s，將文獻中模型上方被夾持固定改為仿真中上板與模型粘接連接。雖然對單個吸能原件進行試驗分析與整車試驗有所不同，但其趨勢相似，具有操作意義。按照C-NCAP要求，進行剛性固定壁障仿真模擬，在汽車發(fā)生正面碰撞的情況下，研究前縱梁變形與吸能，把梁一端固定于一塊固定剛性板，另一端用同樣性質(zhì)的剛性板以15.2 m/s的速度碰撞，為了保證壓潰的穩(wěn)定性，在帽形梁前端開1個正方形槽孔，如圖1b所示。

圖1 帽形前縱梁有限元模型

復(fù)合材料帽型梁的數(shù)值模擬采用顯式動力學(xué)有限元分析軟件Abaqus/Explicit。網(wǎng)格劃分采用了3種單元類型：6 118個S4R單元，3個線性四邊形單元R3D4，44個線性三角形單元S3R。剛性墻采用離散剛體，單元總數(shù)接近6 150，計算總時間10 ms。帽形梁采用接觸對算法和通用算法中的自接觸法，移動剛性板與前縱梁采用主從接觸，固定剛性板與前縱梁采用TIED固定連接，約束其所有自由度，帽型梁本身存在自接觸。

通過Abaqus/Explicit仿真可得出力-時間曲線，仿真與試驗結(jié)果對比如圖2所示，同時計算出試驗與仿真的載荷數(shù)據(jù)量化對比結(jié)果如表1所示。

圖2 力-時間曲線

表1 試驗與仿真載荷結(jié)果對比

由圖2和表1可見，試驗與計算機仿真結(jié)果差距在合理范圍內(nèi)，波形也大致相同，而仿真中的第2個峰值載荷較高，是因為開始時沖擊不穩(wěn)定，抵抗力較強，而試驗中有夾持裝置，能穩(wěn)定前進。從第3 ms開始，仿真值一直低于試驗值，是由于本文未考慮夾持裝置的重力，故使得試驗值略高。曲線雖具有差異，但都在合理范圍內(nèi)，說明該有限元仿真方法是有效的，可利用該方法進行復(fù)合材料碰撞性能的對比分析和優(yōu)化設(shè)計。

由于玻璃纖維復(fù)合材料為脆性材料[7]，因此破壞方式不同于具有塑性的鋼制材料，如圖3所示，從接觸部分開始出現(xiàn)順序壓潰，并伴隨材料撕裂與飛濺的現(xiàn)象，同時存在少量彎曲，圖3b與圖3a不是同一時刻的結(jié)果，其中的失效單元已被刪除，不顯示在圖中。

漂流木在開闊的海上漂浮，開始了它們漫長的旅程，時間長短取決于不同的樹種，最長可歷時17個月。在這段漂泊海上的時間里，這些無根的死木變成了漂浮的珊瑚礁，為多種多樣的海洋生物提供了漂浮水面上的棲息地，其中包括將它們的卵產(chǎn)在浮木上的無翅水黽，水黽是唯一一種生活在開闊海域里的昆蟲。

圖3 玻璃纖維復(fù)合材料縱梁壓潰結(jié)果

3 吸能特性對比

本文分別選取3種材料進行正面碰撞仿真吸能特性的對比：鋼制材料、玻璃纖維復(fù)合材料、碳纖維復(fù)合材料。遵循單一變量原則，控制3個模型除材料外，其它參數(shù)均相同。3種材料性能參數(shù)如表2、表3所示。

表2 鋼材部分性能參數(shù)

表3 碳纖維、玻璃纖維復(fù)合材料部分性能參數(shù)

圖4和圖5所示分別為碳纖維復(fù)合材料和鋼制材料壓潰效果，玻璃纖維復(fù)合材料壓潰效果如圖3所示。

圖4 碳纖維復(fù)合材料壓潰結(jié)果

圖5 鋼制材料壓潰結(jié)果

由圖3可知，由于鋼制材料模型結(jié)構(gòu)長厚比過大，出現(xiàn)了固定端首先發(fā)生塑性層疊變形的現(xiàn)象，而玻璃纖維和碳纖維兩種復(fù)合材料壓潰模式相似，都出現(xiàn)了材料撕裂伴隨單元飛濺的現(xiàn)象，證明了材料模型的統(tǒng)一性。

同時由于材料模型的差異，吸能量以及產(chǎn)生載荷的大小也有所不同。圖6所示為三者內(nèi)能變化對比。

由圖6可以看出，開始變形時，三者吸能量相差不大，隨著壓潰的進行，傳統(tǒng)鋼吸能量隨時間增加較快，并發(fā)生塑性變形。玻璃纖維復(fù)合材料吸能量隨時間變化最慢，將吸能效果進行量化處理，如表4所示。

圖6 3種材料內(nèi)能-時間曲線

表4 3種材料吸能結(jié)果

吸能特性的優(yōu)劣，需要綜合多方面來考慮。由表2、表3可知碳纖維復(fù)合材料具有較高的比吸能，大約是其它材料的5倍。為實現(xiàn)汽車的輕量化，碳纖維復(fù)合材料更具有應(yīng)用價值，應(yīng)用于碰撞吸能裝置效率更高。

圖7所示為3種材料的力-時間曲線，三者出現(xiàn)峰值的時間基本一致，但峰值相差甚大，從大到小依次為鋼材、碳纖維、玻璃纖維，且鋼材曲線一直位于復(fù)合材料上方，直到第5 ms時由于鋼板速度降為0而突然下降，說明前者平均載荷較高，力的大小表明縱梁吸能能力的大小，直接影響人體損傷程度。且在第1個峰值出現(xiàn)后，曲線首先降低到一個值，這是因為鋼板開始穩(wěn)定接觸前縱梁模型，之后出現(xiàn)小幅波動，變形模式趨于穩(wěn)定。

圖7 力-時間曲線

4 鋪層優(yōu)化與斜碰仿真分析

4.1 鋪層優(yōu)化

在前人對復(fù)合材料鋪層優(yōu)化研究的基礎(chǔ)上[8]，得出較常用的經(jīng)典層合板鋪層順序為：[0/45/-45/90]ns、[45/-45/0/90]ns、[45/-45/90/0]ns、[0/90/45/-45]ns。本文針對兩種復(fù)合材料進行鋪層優(yōu)化，前文使用的鋪層角度為0°/90°，16層，考慮到簡單角度會使復(fù)合材料在某個方向存在薄弱環(huán)節(jié)，因此一般由0°、90°、45°、-45°4種鋪層角度構(gòu)成。本文選擇了經(jīng)典鋪層順序進行優(yōu)化，同樣為16 層，即[0/45/-45/90]4s、[45/-45/0/90]4s、[45/-45/90/0]4s、[0/90/45/-45]4s，并分別定義為 ply1、ply2、ply3、ply4，以便描述。保持單一變量原則，通過計算機仿真，分別得到兩種復(fù)合材料吸能效果與載荷變化，并與未改變鋪層時的模型進行了對比，如圖8、圖9所示。

由圖8、圖9可以看出，鋪層角度的變化對于復(fù)合材料吸能量影響較明顯，而對載荷影響不明顯。4種典型鋪層方式吸能量均較原有方式高，載荷峰值都較原有方式有所下降，也就是說沖擊力有所改善，即吸能能力提高。通過計算，玻璃纖維復(fù)合材料最大吸能量由1.553 kJ變?yōu)?.987 kJ，提高了28%，碳纖維復(fù)合材料由4.787 kJ變?yōu)?.8 kJ，有21.2%的增幅。

由于鋪層角度由原來的2種（0°、90°）變?yōu)?種（0°、90°、45°、-45°），使得梁結(jié)構(gòu)在各個方向上都不太過薄弱，因此可以增加吸能效率，同時也降低了載荷，改善沖擊，減少對人員的傷害。由此，針對該汽車前縱梁模型，Ply3與ply4相對Ply1與Ply2兩種鋪層方案吸能量有所增加，但載荷相差并不明顯，相對具有較優(yōu)的吸能特性。

圖8 玻璃纖維復(fù)合材料4種鋪層與原鋪層方式對比

圖9 碳纖維復(fù)合材料4種鋪層與原鋪層方式對比

4.2 斜碰仿真分析

由于復(fù)合材料吸能特性不穩(wěn)定，本文將優(yōu)化后的鋪層角度分別應(yīng)用于碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料中，并進行30°和15°斜面碰撞仿真分析，驗證復(fù)合材料帽型梁在斜碰條件下的吸能特性。材料選擇仍為鋼材、碳纖維復(fù)合材料、玻璃纖維復(fù)合材料，移動墻的運動方向為其法線方向?？紤]到長桿的失穩(wěn)性，將帽形梁長度改為100 mm，其它參數(shù)與前文相同，30°斜碰模型如圖10所示。

圖10 30°斜碰模型

利用前文提出的建模方法進行仿真，得出變形應(yīng)力云圖，15°斜碰模型結(jié)果如圖11所示。

圖11 3種材料模型變形應(yīng)力云圖（15°斜碰）

由圖11可知：鋼材模型出現(xiàn)了塑性變形，前縱梁前端出現(xiàn)穩(wěn)定變形；玻璃纖維較碳纖維復(fù)合材料縱梁變形與失效嚴(yán)重，相同條件下幾乎被完全壓潰，這是因為碳纖維復(fù)合材料具有更高的彈性模量與損傷值。

根據(jù)計算結(jié)果，整理得出2種角度斜碰后的內(nèi)能時間曲線與載荷時間曲線，如圖12與圖13所示。

將數(shù)據(jù)進行量化處理，分別得出在2種斜碰角度下3種材料吸能量化結(jié)果，如表5和表6所示。

圖12 內(nèi)能時間曲線與載荷時間曲線（15°斜碰）

圖13 內(nèi)能時間曲線與載荷時間曲線（30°斜碰）

表5 3種材料吸能結(jié)果（15°斜碰）

表6 3種材料吸能結(jié)果（30°斜碰）

由圖12、圖13和表5、表6可知，該結(jié)果與正碰所得結(jié)果相似，鋼材模型吸能量與載荷均為最高，玻璃纖維復(fù)合材料模型吸能量與載荷最低，但載荷時間曲線變化趨勢稍有變化，在載荷峰值出現(xiàn)之前，斜碰時出現(xiàn)了較多的小波峰，而正碰時較平滑，這是因為斜碰開始時移動墻只與帽形梁上端部分接觸，完全接觸后，才達到峰值，因此斜碰時峰值出現(xiàn)時間較晚。從吸能率和比吸能值來看，碳纖維復(fù)合材料帽形梁的吸能特性最優(yōu)，說明帶角度斜碰的吸能特性與正碰時基本一致。

5 結(jié)束語

本文在大量纖維增強復(fù)合材料吸能特性研究與金屬梁吸能設(shè)計的基礎(chǔ)上，對復(fù)合材料帽型梁吸能特性展開試驗驗證與仿真研究。以不同材料和鋪層模型的碰撞性能為出發(fā)點，以提高汽車碰撞吸能性能與輕量化為目的，分析了前縱梁軸向沖擊仿真結(jié)果，引入比吸能等指標(biāo)對仿真吸能特性進行量化對比分析，得到以下結(jié)論：

a.通過仿真計算發(fā)現(xiàn)，碳纖維復(fù)合材料具有較高的比吸能值，表明其吸能效果最強，輕量化效果好，可用于車身輕量化并同時保證碰撞安全性；

b.碳纖維復(fù)合材料由于本身具有的高模量、高強度，使得改變鋪層后的吸能量相比玻璃纖維漲幅略小。當(dāng)碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用[45/-45/90/0]4s的鋪層方式，玻璃纖維復(fù)合材料應(yīng)用[0/90/45/-45]4s的鋪層方式時，吸能特性明顯改善，降低了載荷峰值。

c.將正碰優(yōu)化的鋪層用于15°與30°斜碰模型中進行吸能特性對比分析，結(jié)果與正碰效果相似，說明復(fù)合材料帽形梁在斜碰工況中也具有較好的吸能特性。

本文中選用的材料均為單一材料，而碳纖維的價格昂貴，后續(xù)設(shè)計中可添加部分其他材料混合使用。

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