纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)覆蓋件中的應(yīng)用

林枝花

摘 要：本文采用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料和環(huán)氧樹(shù)脂基材料對(duì)汽車(chē)引擎蓋進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，樣品制作和性能分析。根據(jù)實(shí)際工況的發(fā)動(dòng)機(jī)罩，最小化目標(biāo)函數(shù)與質(zhì)量、測(cè)試性能指數(shù)的鋼罩前為約束函數(shù)，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等效替代拓?fù)鋬?yōu)化。各種工況下的試驗(yàn)結(jié)果表明，與鋼罩相比，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩的性能提高，復(fù)合材料罩的重量變輕。

關(guān)鍵詞：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料 汽車(chē)覆蓋件 材料優(yōu)化

Application of Fiber Reinforced Composite Materials in Automobile Covering Parts

Lin Zhihua

Abstract：In this paper， fiber reinforced composites and epoxy resin-based materials are used to optimize the automobile hood topology， sample making and performance analysis. According to the actual working conditions of the hood， the constraint function of minimizing the objective function and the mass and test performance index of the steel hood front is the constraint function， and the equivalent replacement topology optimization of the hood with fiber-reinforced composite material is achieved. The test results under various working conditions show that， compared with the steel hood， the performance of the fiber reinforced composite hood is improved and the weight of the composite hood is lighter.

Key words：fiber reinforced composite， automobile cover parts， material optimization

隨著人均汽車(chē)擁有量的大幅度提升，面對(duì)需求量增大，而資源有限的情況下，汽車(chē)的輕量化顯得尤為重要。汽車(chē)輕量化的優(yōu)點(diǎn)是減少環(huán)境污染，保護(hù)公路，和降低汽車(chē)各零件間的磨損，間接增長(zhǎng)了使用年限而進(jìn)一步減少了環(huán)境污染。針對(duì)以上技術(shù)問(wèn)題從三個(gè)方面著手，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、使用纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，還有對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行改進(jìn)。根據(jù)效果及資金投入程度，一般采用優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)分析汽車(chē)產(chǎn)品，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料擁有熱膨脹系數(shù)小、密度低、高比強(qiáng)度與模量、耐高溫、抗疲勞等其他材料無(wú)可比擬的新型材料，最高的單根直徑僅為7微米，是高端工業(yè)產(chǎn)品的首選材料。通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與新材料的結(jié)合實(shí)現(xiàn)最佳性?xún)r(jià)比。隨著國(guó)內(nèi)先進(jìn)技術(shù)的飛速發(fā)展，針對(duì)新材料的優(yōu)化吸引了大批有志者。

盧家海、劉釗等人對(duì)汽車(chē)保險(xiǎn)杠進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化后的產(chǎn)品同時(shí)擁有了抗撞與輕便。龔有坤等人根據(jù)機(jī)械要求對(duì)汽車(chē)底盤(pán)后臂進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝研究。也有專(zhuān)家通過(guò)對(duì)底盤(pán)后壁進(jìn)行工藝優(yōu)化得出，碳纖維后臂與傳統(tǒng)金屬件相比減輕，同時(shí)確定熱成型技術(shù)先進(jìn)科學(xué)性。還有專(zhuān)家通過(guò)嘗試確定在吸能上，泡沫鋁填充纖維的高性能纖維效果明顯。有的專(zhuān)家確定對(duì)將碳纖維增強(qiáng)纖維與鋁蜂窩管工藝相結(jié)合效果更加明顯。還有的專(zhuān)家針對(duì)不同的尺寸與隨機(jī)轉(zhuǎn)換角度同時(shí)配上不同負(fù)荷的健壯性拓?fù)鋬?yōu)化方法。汽車(chē)公司完成對(duì)復(fù)合材料汽車(chē)部件賦予輕便的研究。中國(guó)第一汽車(chē)有限公司對(duì)汽車(chē)儀表板梁分別提出了不同厚度的五級(jí)和三級(jí)儀表板管梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工藝改進(jìn)，在輕便的基礎(chǔ)上，同時(shí)保證力學(xué)性質(zhì)合格。

巴伐利亞機(jī)械廠股份有限公司是首輛可批量式生產(chǎn)的同時(shí)采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的電動(dòng)車(chē)。碳纖維復(fù)合材料的使用使常用車(chē)重量可控制在1.2t以下。例如山東中企重工車(chē)輛有限公司的超輕車(chē)采用新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，降低了13米車(chē)的重量，溫州飛創(chuàng)汽車(chē)科技有限公司打造的四驅(qū)輕量化汽車(chē)也是采用新興纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，通用汽車(chē)公司的輕量化的概念車(chē)，通過(guò)采用的新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料使整體車(chē)重大大降低。國(guó)內(nèi)第一家采用新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用是來(lái)自于江蘇的一家生產(chǎn)新能源汽車(chē)的公司。相對(duì)于傳統(tǒng)汽車(chē)而言，車(chē)重直線下降。

對(duì)于社會(huì)對(duì)輕便型車(chē)的追求，也行響應(yīng)國(guó)家輕便、環(huán)保、節(jié)能的政策，中國(guó)吉林公司骨干們針對(duì)采用新型碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)上的使用方面做了深層的展望，并且針對(duì)未來(lái)幾年甚至幾十年對(duì)汽車(chē)高端技術(shù)的具體強(qiáng)制性要求。本文在已有基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)一種新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料進(jìn)行設(shè)計(jì)并進(jìn)行小樣嘗試。通過(guò)力學(xué)性能對(duì)比分析，通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)得出針對(duì)新型增強(qiáng)復(fù)合材料的實(shí)驗(yàn)采用有限元ABAQUS可行的科學(xué)性，因此通過(guò)采用有限元ABAQUS優(yōu)化方案對(duì)新材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的鋪層優(yōu)化升級(jí)。

1 新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的設(shè)計(jì)方案

常用的發(fā)動(dòng)機(jī)罩通常包括內(nèi)板、外板和夾層。設(shè)計(jì)也就針對(duì)這三方面來(lái)進(jìn)行。然而，研究發(fā)現(xiàn)這種常規(guī)結(jié)構(gòu)不利于安裝與整車(chē)的匹對(duì)。在傳統(tǒng)燃油車(chē)模型上進(jìn)行纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車(chē)罩設(shè)計(jì)。而讓內(nèi)、外板的結(jié)構(gòu)仍然保持不變，沒(méi)有做太多的改變，內(nèi)、外板通過(guò)粘結(jié)連接。結(jié)合實(shí)驗(yàn)?zāi)康模瑫r(shí)權(quán)衡實(shí)驗(yàn)成本與相關(guān)參數(shù)要求，經(jīng)過(guò)多方面對(duì)比分析，同時(shí)考慮到配備度問(wèn)題，最終材料定為碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，其中把碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為實(shí)驗(yàn)的主要成分，而將玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為次要材料，之所以這樣安排是由碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料與玻璃增強(qiáng)復(fù)合材料的力學(xué)性質(zhì)所決定的，新型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中僅含有三分之一的碳纖維，同時(shí)它的伸展性較高些，這樣就是新型玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在受到外界力時(shí)更容易變形，從而大大提高了整輛車(chē)的匹配度。

反設(shè)計(jì)在芬蘭設(shè)計(jì)大師認(rèn)為，反設(shè)計(jì)可以理解為沒(méi)有設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)，反設(shè)計(jì)蘊(yùn)含著自然、純粹、優(yōu)美。本文就采用反設(shè)計(jì)的理念進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。讓發(fā)動(dòng)機(jī)的表面維持原狀，只是對(duì)內(nèi)板部件進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)。讓發(fā)動(dòng)機(jī)罩的外板控制在不大于2毫米總厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)升級(jí)，內(nèi)板按比外板少0.3毫米的總厚度進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)保證內(nèi)外板厚度相等。以鋼罩為基礎(chǔ)，重新設(shè)計(jì)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料罩的幾何模型。

2 鋼制材料發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)罩力學(xué)性能試驗(yàn)

根據(jù)新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料引擎蓋拓?fù)鋬?yōu)化所需的邊界約束條件、前后點(diǎn)扭轉(zhuǎn)、側(cè)向、彎曲剛度，進(jìn)行了一系列的試驗(yàn)。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，測(cè)量了各種工況下的主要力學(xué)性能指標(biāo)。

扭轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)是模擬測(cè)試的發(fā)動(dòng)機(jī)罩抵抗變形的能力被子彈擊中后，這種先后通過(guò)兩個(gè)緩沖塊關(guān)閉時(shí)刻承受扭轉(zhuǎn)載荷;橫向剛度測(cè)試是模擬，當(dāng)鎖允許安裝公差范圍內(nèi)，內(nèi)部仍有可能受到側(cè)向力鎖封閉罩時(shí)，當(dāng)汽車(chē)猛然加速、突然急剎車(chē)，或者在轉(zhuǎn)彎時(shí)，汽車(chē)的慣性負(fù)荷對(duì)引擎蓋施加一個(gè)沖擊力，彎曲剛度試驗(yàn)是為了抗變形效果，模擬引擎蓋在合攏時(shí)受到鎖所施加的垂直力時(shí)的抗變形效果，通過(guò)試驗(yàn)獲得其整體彎曲剛度參數(shù)。而模態(tài)試驗(yàn)可獲得引擎蓋的模態(tài)信息用以遠(yuǎn)離低頻共振。

2.1 對(duì)緩沖塊的約束與加載

根據(jù)汽車(chē)行業(yè)的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，在扭轉(zhuǎn)彎曲實(shí)驗(yàn)測(cè)試時(shí)，局部坐標(biāo)系的發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)罩，6自由度鉸鏈和z方向的平移自由度對(duì)緩沖塊的約束，和80n負(fù)荷應(yīng)用于左派的z緩沖塊。在橫向剛度測(cè)試中，對(duì)左右緩沖塊鉸鏈的6個(gè)自由度和z向平移自由度進(jìn)行約束，伺服液壓系統(tǒng)對(duì)鎖存器施加250N載荷。在彎曲剛度測(cè)試中，對(duì)左右緩沖塊鉸鏈的6自由度和z向平移自由度進(jìn)行約束，并在鎖存處z向施加200N的載荷。在自由模態(tài)試驗(yàn)中，在夾具上掛上發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)罩鉸鏈，借助的工具時(shí)抗拉扯的高性能橡膠繩，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)外板表面分別均勻墊20和26個(gè)單向加速度傳感器。由激振器激發(fā)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)板的中央前端。

2.2 對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的自由模態(tài)分析

通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果的有效性，模態(tài)是其中的一種，即可以通過(guò)模態(tài)進(jìn)行分析論證，經(jīng)對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的模態(tài)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)在易受損壞的頻率的界限進(jìn)行標(biāo)注，來(lái)保證結(jié)構(gòu)系統(tǒng)正常使用。再通過(guò)有限元仿真分析得出發(fā)動(dòng)機(jī)罩整體扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)測(cè)試值。

2.3 通過(guò)橫向剛度分析模擬慣性負(fù)荷

汽車(chē)發(fā)生方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩上的慣性負(fù)荷進(jìn)行模擬。在仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將引擎蓋鉸鏈固定，鎖頭一側(cè)施100N的力，對(duì)處在閉合狀態(tài)下的引擎蓋變形系統(tǒng)分析。將引擎蓋的兩支點(diǎn)與鉸鏈的樞軸位置進(jìn)行暫時(shí)性固定，約束住除繞橫向軸旋轉(zhuǎn)度外的所有自由度，同時(shí)把前端支點(diǎn)僅約束為垂直位移。在此工況下進(jìn)行有限元仿真分析和實(shí)驗(yàn)分析。

2.4 對(duì)引擎蓋的扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行科學(xué)分析

引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析的目的是為了測(cè)試在引擎蓋關(guān)閉時(shí)，在整輛車(chē)的垂直力作用下，引擎蓋的抗變形能力。

得知有限元分析值和樣品測(cè)試值，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料可滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)罩質(zhì)量降低。橫向與扭轉(zhuǎn)剛度在不同范圍內(nèi)提高，得出新型材料在輕量化上效果有優(yōu)勢(shì)。通過(guò)有限元模擬值比較，驗(yàn)證了新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料有限元建模方法的有效性。

3 纖維增強(qiáng)復(fù)合材料

測(cè)試驗(yàn)證結(jié)果表明，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛度和模態(tài)性能上，新材料完全滿(mǎn)足要求，性能指標(biāo)改善在一定程度上與原鋼發(fā)動(dòng)機(jī)罩相比。在強(qiáng)度和剛度滿(mǎn)足要求的情況下，進(jìn)一步對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括設(shè)計(jì)目標(biāo)、變量和約束三個(gè)要素。設(shè)計(jì)目標(biāo)與變量是優(yōu)化過(guò)程中的一種參數(shù)。通過(guò)改變變量找到最優(yōu)解，從而提高結(jié)構(gòu)性能。目標(biāo)函數(shù)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)變量進(jìn)行改變時(shí)所施加的約束。在優(yōu)化設(shè)計(jì)中，可以把單層厚度、鋪放方向、順序作為變量。每個(gè)參數(shù)可以作為變量?jī)?yōu)化，罩內(nèi)外板結(jié)構(gòu)已確定，纖維增強(qiáng)的剪切形狀大小已確定，并基于初始纖維設(shè)計(jì)中每層厚度，改變纖維層方向。在本文中，鋪層厚度與角度作為優(yōu)化設(shè)計(jì)變量。

（1）優(yōu)化設(shè)計(jì)目標(biāo)：優(yōu)化設(shè)計(jì)是在保證基本性能下，改變纖維層厚和層間角度，實(shí)現(xiàn)輕便。所以通過(guò)以引擎蓋的最小質(zhì)量作為優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)，繪制優(yōu)化迭代過(guò)程中的引擎蓋質(zhì)量變化曲線來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。（2）優(yōu)化設(shè)計(jì)變量：對(duì)單層光纖鋪設(shè)厚度和角度的參數(shù)進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化。光纖鋪設(shè)讓內(nèi)外板鋪設(shè)反對(duì)稱(chēng)。（3）優(yōu)化設(shè)計(jì)約束：纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩的約束條件應(yīng)滿(mǎn)足發(fā)動(dòng)機(jī)罩的剛度、強(qiáng)度和振動(dòng)頻率等性能要求。受客觀條件影響，以原鋼發(fā)動(dòng)機(jī)的機(jī)罩為參考基準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

參照新型增強(qiáng)復(fù)合材料疊層板的力學(xué)原理，發(fā)動(dòng)機(jī)罩的自由模態(tài)，扭轉(zhuǎn)與橫向剛度計(jì)算，并與鋼材質(zhì)相比，表明新型纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的使用遮光罩的設(shè)計(jì)與原來(lái)的金屬板內(nèi)外罩，其模態(tài)、彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度值都有一定提升，重量急劇下降。充分展示了復(fù)合材料用于車(chē)身覆蓋物的明顯優(yōu)勢(shì)，驗(yàn)證了實(shí)際應(yīng)用的可行性。在保證基本性能的前提下，對(duì)復(fù)合材料引擎蓋進(jìn)行優(yōu)化，使其重量進(jìn)一步降低，充分發(fā)揮了纖維復(fù)合材料在汽車(chē)輕量化方面的明顯優(yōu)勢(shì)。

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