碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩輕量化設(shè)計(jì)研究

【摘要】 汽車車身輕量化是解決汽車節(jié)能減排的重要方法之一。碳纖維復(fù)合材料是車身最理想的輕量化材料。選擇發(fā)動機(jī)罩作為典型的車身件，以發(fā)動機(jī)罩的尺寸優(yōu)化分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求為設(shè)計(jì)前提，對碳纖維復(fù)合材料和發(fā)動機(jī)罩的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，通過對設(shè)計(jì)后的發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行性能仿真分析，驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的可行性。

引言

隨著汽車保有量不斷增加，帶來了如能源、環(huán)境污染等負(fù)面影響。戴姆勒公司的研究表明，在城市路況下，減重100kg的汽車，每百公里燃油下降0．3～0．6L，CO2排放量降低 75～125g。汽車上鋼鐵材料占車重的3/4，如果能夠用碳纖維復(fù)合材料全面替代鋼鐵，將會對汽車的燃油經(jīng)濟(jì)性和CO2的排放量都有著較大的影響。因此汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重要方法。

目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化主要有2條途徑；(1)采用輕量化材料，如高強(qiáng)度鋼材、鋁合金、復(fù)合材料等；(2)利用CAE技術(shù)優(yōu)化汽車零部件的結(jié)構(gòu)，從而最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。碳纖維復(fù)合材料是目前常用材料中比模度和比剛度最高的材料。同時(shí)它還具有耐高溫、耐候性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)，成為最理想的汽車車身輕量化材料。

1碳纖維復(fù)合材料的設(shè)計(jì)

復(fù)合材料是由若干單層材料組成的，因此復(fù)合材料的性能是由單層材料決定的。單層材料的設(shè)計(jì)包括材料的選擇和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。單向纖維布具有碳纖維復(fù)合材料各向異性的特點(diǎn)，更能發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，環(huán)氧樹脂是常用的碳纖維復(fù)合材料基體材料，能夠滿足發(fā)動機(jī)罩使用的要求。

碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)一般使用均衡對稱鋪設(shè)的原理，這可以明顯避免殼體結(jié)構(gòu)的翹曲變形。而［0/45/90/－45］s的鋪層設(shè)計(jì)，可以最大限度利用碳纖維方向高強(qiáng)度和剛度的特性?？紤]到發(fā)動機(jī)罩作為車身外覆蓋件，為了保護(hù)發(fā)動機(jī)艙內(nèi)的零件，需要一定的抗沖擊性。

而在表面鋪設(shè)±45°可以明顯改善復(fù)合材料的抗沖擊性，有利于載荷擴(kuò)散。因此，最終將碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)定義為［－45/0/45/90］S的結(jié)構(gòu)以滿足發(fā)動機(jī)罩的使用要求。

2發(fā)動機(jī)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

發(fā)動機(jī)罩的外形受到整車造型的影響，在無法改變發(fā)動機(jī)罩外形的前提下，選擇尺寸優(yōu)化方法，以碳纖維復(fù)合材料的厚度為變量，在滿足剛度要求的前提下，得到符合設(shè)計(jì)要求的發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)，如圖1所示。



以圖1為基礎(chǔ)，通過對厚度變化區(qū)域加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，達(dá)到提高碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的整體剛度，如圖2所示。



3結(jié)構(gòu)性能仿真分析

3．1 模態(tài)分析

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動特性，通過模態(tài)分析，可以了解發(fā)動機(jī)罩易受影響頻率范圍內(nèi)的特性，避免結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，表1為碳纖維復(fù)合材料的模態(tài)分析結(jié)果與原發(fā)動機(jī)罩的模態(tài)分析結(jié)果。



從表1可以看出，碳纖維復(fù)合材料的模態(tài)頻率高于原發(fā)動機(jī)罩的模態(tài)頻率，根據(jù)發(fā)動機(jī)罩的模態(tài)頻率要求車身模態(tài)頻率的設(shè)計(jì)要求，本次設(shè)計(jì)的發(fā)動機(jī)罩是合理的。

3．2 側(cè)向剛度分析

側(cè)向剛度分析是為了模擬車輛轉(zhuǎn)彎時(shí)，發(fā)動機(jī)罩在關(guān)閉狀態(tài)鎖扣處受到整車Y向載荷的作用下，發(fā)動機(jī)罩的變形情況，以最大變形量衡量發(fā)動機(jī)罩的剛度性能。發(fā)動機(jī)罩側(cè)向剛度仿真分析結(jié)果，最大變形量為0．7396mm，小于設(shè)計(jì)目標(biāo)值。

3．3 扭轉(zhuǎn)剛度分析

發(fā)動機(jī)罩的扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析是為了檢驗(yàn)發(fā)動機(jī)罩在關(guān)閉狀態(tài)受到整車Z向力的作用下，抵擋變形的能力。圖3為發(fā)動機(jī)罩扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析結(jié)果，通過公式(1)、(2)的計(jì)算，碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的扭轉(zhuǎn)剛度大于190Nm/°，超出設(shè)計(jì)要求。




3．4 剛度分析比較

表2為碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩仿真結(jié)果與鋼制發(fā)動機(jī)罩性能結(jié)果比較，可以看出，通過碳纖維復(fù)合材料內(nèi)部加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)，碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的側(cè)向剛度大于原鋼制發(fā)動機(jī)罩，扭轉(zhuǎn)剛度只下降13．28%，滿足設(shè)計(jì)要求。



4結(jié)語

在無法改變發(fā)動機(jī)罩外形的前提下，以尺寸優(yōu)化技術(shù)為基礎(chǔ)，結(jié)合發(fā)動機(jī)罩的設(shè)計(jì)要求，通過對碳纖維復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和發(fā)動機(jī)罩的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以及剛度性能仿真分析，可以驗(yàn)證碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩在實(shí)際推廣中的可行性。