碳纖維復(fù)合材料汽車保險(xiǎn)杠橫梁碰撞的力學(xué)性能研究

張瑞，施偉辰

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

碳纖維復(fù)合材料汽車保險(xiǎn)杠橫梁碰撞的力學(xué)性能研究

張瑞，施偉辰

（上海海事大學(xué)，上海 201306）

汽車工業(yè)中節(jié)能減排已成為各個(gè)汽車制造公司追求的重大目標(biāo)，而輕量化研究對(duì)汽車的節(jié)能減排有著極為重要的意義。如今，新材料的應(yīng)用讓汽車輕量化的發(fā)展進(jìn)入一個(gè)新的時(shí)代。在國(guó)外，碳纖維復(fù)合材料在汽車保險(xiǎn)杠上的應(yīng)用有著較多的研究。文章討論一種由碳纖維復(fù)合材料制造的一種汽車保險(xiǎn)杠在受到?jīng)_擊時(shí)表現(xiàn)出的力學(xué)性能，通過(guò)UG建立汽車保險(xiǎn)杠與擺錘碰撞的模型，用ansys對(duì)模型進(jìn)行前處理，利用IS-DYNA進(jìn)行求解計(jì)算，通過(guò)lsprepost分析保險(xiǎn)杠橫梁在碰撞過(guò)程中的時(shí)間-位移曲線和應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，得出碳纖維復(fù)合材料汽車保險(xiǎn)杠橫梁在碰撞時(shí)的力學(xué)性能，為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

碳纖維復(fù)合材料；保險(xiǎn)杠；碰撞；輕量化

CLC NO.:U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)13-74-03

前言

碳纖維復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度、比剛度、比吸能、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等許多優(yōu)異特性。與傳統(tǒng)的汽車保險(xiǎn)杠材料比，碳纖維復(fù)合材料的質(zhì)量更小。碳纖維復(fù)合材料比鋼輕50%左右，它的能量吸收能力是鋼或鋁的4-5倍。使用碳纖維復(fù)合材料制造汽車保險(xiǎn)杠，能夠有效降低汽車油耗，同時(shí)還會(huì)提高對(duì)乘車人的保護(hù)功能，具有很高的研究?jī)r(jià)值和使用價(jià)值。

在國(guó)內(nèi)，王新峰利用有限元分析，從單胞尺度、到纖維束尺度、再到構(gòu)件尺度多方面進(jìn)行了漸進(jìn)損傷分析，進(jìn)而探索出機(jī)織復(fù)合材料剛度、強(qiáng)度等問(wèn)題。原梅妮對(duì)復(fù)合材料的了力學(xué)性能進(jìn)行了探討，她使用了格林函數(shù)和有限元多尺度分析方法，模擬其微區(qū)應(yīng)力分布、纖維失效情況和材料宏觀力學(xué)性能。借助有限元分析工具，通過(guò)多尺度分析，算出隨機(jī)分布顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料的等效力學(xué)參數(shù)。在國(guó)外，Johnson A F建立了基于損傷力學(xué)的復(fù)合材料單層板的本構(gòu)模型和界面脫層模型，以分析碳纖維層合板在不同速度沖擊下的響應(yīng)和損傷。Hou考慮了層合板面外剪應(yīng)力的影響，在Chang—Chang失效準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用實(shí)體單元進(jìn)行了低速?zèng)_擊作用下復(fù)合材料鋪層板的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和損傷分析。Choi建立了低速?zèng)_擊作用下基體開裂和脫層失效準(zhǔn)則，分析了復(fù)合材料層合板在橫向沖擊作用下基體開裂和脫層損傷的相互作用。

1 彈塑性各向異性材料理論基礎(chǔ)

假設(shè)小變形時(shí)碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)變?chǔ)趴梢苑纸鉃閺椥詰?yīng)變?chǔ)舉和塑性應(yīng)變?chǔ)舙

其中P0為初始塑性應(yīng)變，一般該應(yīng)變可忽略不計(jì)。

假設(shè)碳纖維復(fù)合材料滿足廣義Mises屈服準(zhǔn)則FP

式中R0-塑性強(qiáng)化初始閾值；

R（P）-強(qiáng)化閾值增量。

式中S-各向異性塑性常數(shù)張量；

S-各向異性塑性有效常數(shù)張量。

也就是有效應(yīng)變可分解為有效彈性應(yīng)變和有效塑性應(yīng)變之和。

2 保險(xiǎn)杠模型建立

根據(jù)國(guó)標(biāo)GB17354-1998規(guī)定的低速碰撞實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在三維制圖軟件UG中建立碰撞器的模型，在此基礎(chǔ)上建立碳纖維汽車保險(xiǎn)杠橫梁和吸能盒模型，將模型導(dǎo)入ANSYS前處理模塊進(jìn)行進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，橫梁采用殼體單元shell163進(jìn)行網(wǎng)格劃分，碰撞器為實(shí)體，采用solid164單元?jiǎng)澐?，并?duì)各部件賦予材料與屬性，得到碰撞系統(tǒng)有限元模型，如圖 1所示。然后對(duì)模型的接觸、約束、時(shí)間步長(zhǎng)等計(jì)算參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，生成K文件，導(dǎo)入ls-dyna求解器中計(jì)算。

保險(xiǎn)杠橫梁采用碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，所選材料為T300/5208，具體材料參數(shù)如表 1所示，碳纖維鋪層方式采用（±45°/0°/90°），總厚度為8mm。

表1 碳纖維復(fù)合材料屬性

3 碰撞結(jié)果分析

仿真過(guò)程中擺錘固定，保險(xiǎn)杠以4Km/h的速度撞擊擺錘。通過(guò)LS-PROPOST軟件查看結(jié)果分解。圖2為保險(xiǎn)杠橫梁的位移與時(shí)間圖像。0.0142秒時(shí)保險(xiǎn)杠與擺錘接觸。從圖2中看出接觸過(guò)程中，保險(xiǎn)杠速度降低。

圖2 保險(xiǎn)杠橫梁的位移與時(shí)間

汽車保險(xiǎn)杠橫梁在碰撞時(shí)壓力是不斷變化的，通過(guò)圖3到圖5看出0.02s-0.08s四個(gè)時(shí)刻的Contours of pressure逐漸增大，壓力集中從橫梁中部到旁邊區(qū)域變化，最大受力點(diǎn)也有所變化。

圖3 0.02s Contours of pressure 分布圖

圖4 0.04s Contours of pressure 分布圖

圖5 0.06s Contours of pressure 分布圖

圖6 0.08s Contours of pressure 分布圖

通過(guò)圖像對(duì)不同時(shí)刻保險(xiǎn)杠橫梁的應(yīng)力分析，圖 7到圖10顯示了四個(gè)時(shí)刻的 Z-stress 應(yīng)力云圖。保險(xiǎn)杠系統(tǒng)在0.0142 s 時(shí)刻起開始擺錘接觸，在接觸過(guò)程中，應(yīng)力集中發(fā)生變化。但主要集中在保險(xiǎn)杠吸能盒與保險(xiǎn)杠橫梁接觸部位。

圖7 0.02s z-stress分布圖

圖8 0.03s z-stress分布圖

圖9 0.04s z-stress分布圖

圖10 0.05s z-stress分布圖

分析不同時(shí)刻保險(xiǎn)杠橫梁的應(yīng)變情況。圖11到圖12顯示了相應(yīng)應(yīng)力時(shí)刻的塑性應(yīng)變。圖中從0.02s開始，每隔00.1s，進(jìn)行一次塑性應(yīng)變分析。圖中發(fā)現(xiàn)最大塑性變形是先增大后減小的。最大塑性變形集中在橫梁與擺錘接觸部位和吸能盒底端與車身接觸部位，該部位也是應(yīng)力集中明顯的部位。

圖11 0.02s塑性變形圖

圖12 0.03s塑性變形圖

圖13 0.04s塑性變形圖

圖14 0.04s塑性變形圖

4 結(jié)論

通過(guò)對(duì)碳纖維復(fù)合材料用作汽車保險(xiǎn)杠橫梁力學(xué)的分析研究，希望為汽車保險(xiǎn)杠的設(shè)計(jì)提供參考。根據(jù)圖中分析，汽車保險(xiǎn)杠在對(duì)中碰撞發(fā)生時(shí)，應(yīng)力集中在保險(xiǎn)杠橫梁中部，該位置要承受較大沖擊，在承擔(dān)后續(xù)的碰撞中起到重要的作用。

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Mechanical properties study of the collision of carbon fiber composite car bumpers

Zhang Rui, Shi Weichen
( Shanghai maritime university, Shanghai 201306 )

Energy conservation and emission reduction in automobile industry has become the major goals of automobile manufacturing company, and lightweight research of automobile energy conservation and emissions reduction has very important significance.Nowadays, the application of new materials for the development of the automotive lightweighting into a new era.Abroad, the application of carbon fiber composite materials in the bumper with more research.This paper discusses a kind of carbon fiber composite material made of a car bumper showed the mechanical properties during the impact, through the establishment of bumper and UG pendulum collision model, pretreatment with ansys model, use IS to solve anti-blasting calculations, by analyzing lsprepost bumper beams in the process of collision time-displacement curve and stress strain contours, carbon fiber composite bumper beams at the collision when the mechanical performance, provide the basis for the optimization design.

Carbon fiber composite materials; bumper; crash; lightweight

U465

A

1671-7988 (2017)13-74-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.13.023

張瑞，就讀于上海海事大學(xué)。