碳纖維復合材料汽車B柱性能研究

摘 要：節(jié)能、環(huán)保和安全是汽車工業(yè)的發(fā)展方向，汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要手段。碳纖維復合材料的比強度和比模量高，密度僅為鋼的1/5左右，在等剛度和或等強度下，碳纖維復合材料比鋼可減重50%以上，比鎂鋁合金可減重30%左右，具有獨特的輕量化效果，是實現(xiàn)汽車輕量化的理想材料。以汽車B柱為研究對象，基于經(jīng)典層合板理論，采用 ABAQUS分析研究了碳纖維復合材料B柱的碰撞性能。研究結(jié)果表明，與金屬材料汽車B柱相比碳纖維復合材料汽車B柱重量降低約33%，達到了較好的輕量化效果。同時碳纖維復合材料汽車B柱入侵量與吸能比金屬材料小。

關鍵詞：輕量化；碳纖維復合材料；性能；汽車B柱

1 概述

近年來，我國汽車工業(yè)得到了快速的發(fā)展，汽車產(chǎn)銷量位居世界第一，汽車工業(yè)已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的支柱產(chǎn)業(yè)。汽車給我們的出行帶來了便利，但也造成了環(huán)境污染等問題。在全球溫室效應、能源危機和環(huán)境污染等日益嚴重的情況下，節(jié)能與環(huán)保成為擺在世界各國面前最重要的命題[1]。目前，汽車行業(yè)面臨的挑戰(zhàn)是，為了汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，必須減少環(huán)境污染、節(jié)約資源。為應對挑戰(zhàn)各國都開始研究和開發(fā)新能源汽車，就現(xiàn)階段技術而言，汽車輕量化是實現(xiàn)降低油耗和減少排放的有效途徑。有試驗表明，汽車總體重量減輕10%，可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽車重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可見汽車輕量化對于節(jié)能與環(huán)保有顯著效果，使其成為我國汽車行業(yè)大力發(fā)展的趨勢。對于乘用車來說，車身占整車質(zhì)量的40%-60%[3]，對于汽車油耗來說，約70%的油耗是用在了車身質(zhì)量上，因而車身的輕量化對于整車的節(jié)能、減排具有更為顯著的作用。

2 碳纖維復合材料汽車B柱模型建立

文章采用等代設計方法建立碳纖維復合材料汽車B柱模型，通過Hypermesh對B柱模型完成幾何清理并采用四面體單元劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格大小10mm。將畫好網(wǎng)格的B柱導入ABAQUS進行碰撞分析。

碳纖維復合材料B柱鋪層方式為[0/45/90/-45]，鋪層層數(shù)為18層，每層厚度0.33mm。復合材料單向?qū)雍习宓牧W性能如表1所示。其中p為密度，E1、E2分別為單向?qū)雍习宓目v向、橫向彈性模量，u12為泊松比，G12為剪切模量，Xt、Xc為縱向拉伸、壓縮強度，Yt、Yc為橫向拉伸、壓縮強度，S為剪切強度。

3 碳纖維復合材料汽車B柱性能分析

以碳纖維復合材料汽車B柱的質(zhì)量、入侵量、吸能為響應分析碳纖維復合材料汽B柱的綜合性能。并與金屬材料汽車B對比分析，與金屬材料汽車B柱相比碳纖維復合材料汽車B柱重量降低約33%，最大入侵量比金屬材料汽車B柱小12%，吸能效果也比金屬材料汽車B柱好。

參考文獻

[1]馬鳴圖，易紅亮，路洪洲，等.論汽車輕量化[J].中國工程科學，2009，11（9）：20-27.

[2]Joseph C， Benedyk K. Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age，2000，10（2）：34-35.

[3]黃天澤，黃金陵. 汽車車身結(jié)構(gòu)與設計[M].北京：機械工業(yè)出版社，1997：1-2.

作者簡介：侯凡龍 （1989，8-），漢族，武漢理工大學碩士研究生，研究方向：碳纖維復合材料汽車零部件。