碳纖維復合材料發(fā)動機罩輕量化設計研究

【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。碳纖維復合材料是車身最理想的輕量化材料。選擇發(fā)動機罩作為典型的車身件，以發(fā)動機罩的尺寸優(yōu)化分析和結構設計要求為設計前提，對碳纖維復合材料和發(fā)動機罩的結構進行設計，通過對設計后的發(fā)動機罩進行性能仿真分析，驗證碳纖維復合材料發(fā)動機罩的可行性。

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合材料全面替代鋼鐵，將會對汽車的燃油經濟性和CO2的排放量都有著較大的影響。因此汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能減排的重要方法。

目前實現(xiàn)汽車輕量化主要有2條途徑；(1)采用輕量化材料，如高強度鋼材、鋁合金、復合材料等；(2)利用CAE技術優(yōu)化汽車零部件的結構，從而最大限度地減輕零部件的質量。碳纖維復合材料是目前常用材料中比模度和比剛度最高的材料。同時它還具有耐高溫、耐候性好、可設計性強等特點，成為最理想的汽車車身輕量化材料。

1碳纖維復合材料的設計

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

碳纖維復合材料的鋪層設計一般使用均衡對稱鋪設的原理，這可以明顯避免殼體結構的翹曲變形。而［0/45/90/－45］s的鋪層設計，可以最大限度利用碳纖維方向高強度和剛度的特性?？紤]到發(fā)動機罩作為車身外覆蓋件，為了保護發(fā)動機艙內的零件，需要一定的抗沖擊性。

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

2發(fā)動機罩的結構設計

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



以圖1為基礎，通過對厚度變化區(qū)域加強筋的設計，達到提高碳纖維復合材料發(fā)動機罩的整體剛度，如圖2所示。



3結構性能仿真分析

3．1 模態(tài)分析

模態(tài)是結構系統(tǒng)的固有振動特性，通過模態(tài)分析，可以了解發(fā)動機罩易受影響頻率范圍內的特性，避免結構不穩(wěn)定，表1為碳纖維復合材料的模態(tài)分析結果與原發(fā)動機罩的模態(tài)分析結果。



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

3．2 側向剛度分析

側向剛度分析是為了模擬車輛轉彎時，發(fā)動機罩在關閉狀態(tài)鎖扣處受到整車Y向載荷的作用下，發(fā)動機罩的變形情況，以最大變形量衡量發(fā)動機罩的剛度性能。發(fā)動機罩側向剛度仿真分析結果，最大變形量為0．7396mm，小于設計目標值。

3．3 扭轉剛度分析

發(fā)動機罩的扭轉剛度仿真分析是為了檢驗發(fā)動機罩在關閉狀態(tài)受到整車Z向力的作用下，抵擋變形的能力。圖3為發(fā)動機罩扭轉剛度仿真分析結果，通過公式(1)、(2)的計算，碳纖維復合材料發(fā)動機罩的扭轉剛度大于190Nm/°，超出設計要求。




3．4 剛度分析比較

表2為碳纖維復合材料發(fā)動機罩仿真結果與鋼制發(fā)動機罩性能結果比較，可以看出，通過碳纖維復合材料內部加強筋的設計，碳纖維復合材料發(fā)動機罩的側向剛度大于原鋼制發(fā)動機罩，扭轉剛度只下降13．28%，滿足設計要求。



4結語

在無法改變發(fā)動機罩外形的前提下，以尺寸優(yōu)化技術為基礎，結合發(fā)動機罩的設計要求，通過對碳纖維復合材料的結構設計和發(fā)動機罩的加強筋結構設計，以及剛度性能仿真分析，可以驗證碳纖維復合材料發(fā)動機罩在實際推廣中的可行性。