CFRP優(yōu)化汽車(chē)頂蓋鋪層，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化！

為減少汽車(chē)的能源消耗和對(duì)環(huán)境的污染，輕量化技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。復(fù)合材料，尤其是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbonfiberreinforcedpolymer，CFＲP)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑。CFＲP是一種可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)的復(fù)合材料，其鋪層方式得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。
 

本文中基于汽車(chē)CFＲP頂蓋制造工藝可行性與抗雪壓性能需求，采用自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層間組合優(yōu)化相結(jié)合的多層次優(yōu)化方法對(duì)汽車(chē)CFＲP頂蓋進(jìn)行了鋪層設(shè)計(jì)，以兼顧制件工藝要求與性能目標(biāo)。
 

CFＲP力學(xué)性能測(cè)定

 

1、CFＲP樣件制備

在數(shù)值分析過(guò)程中，材料本構(gòu)參數(shù)的正確獲取與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有著密切的關(guān)系，本文中為獲取材料數(shù)值模型本構(gòu)參數(shù)，采用試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)CFＲP開(kāi)展相關(guān)研究。在CFＲP板材制備試驗(yàn)中，碳纖維選用常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的CC-P400－12，樹(shù)脂選用惠柏新材料科技(上海)股份有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂LTC-6010A/B。在材料制備過(guò)程中，依次在真空輔助成型工藝平臺(tái)上鋪放下脫模布、碳纖維材料、上脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)和真空袋等，當(dāng)密封性和壓力達(dá)到要求的條件時(shí)注入樹(shù)脂，并在適宜的條件下進(jìn)行固化處理，從而制備試驗(yàn)用CFＲP板材，如圖1所示。材料制備平臺(tái)溫度為35℃，預(yù)固化時(shí)間為4h，后固化溫度為80℃，后固化時(shí)間為4h。

2、 力學(xué)性能試驗(yàn)與參數(shù)反求

在制備試樣板材基礎(chǔ)上，為正確獲取CFＲP數(shù)值模型本構(gòu)參數(shù)，開(kāi)展了材料單向拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反求材料本構(gòu)參數(shù)，從而保證數(shù)值分析模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。CFＲP單向拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分別在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT5105和CMT4304上進(jìn)行。其中，單向拉伸試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T3354—1999進(jìn)行，拉伸速率為2mm/min，環(huán)境溫度為23℃，樣件選用標(biāo)距(測(cè)量長(zhǎng)度)為50mm、厚度為1.96mm的8層CFＲP試樣。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T1449—2005進(jìn)行，加載速率為2mm/min，環(huán)境溫度為23℃，樣件選用跨距為26mm、厚度為2.01mm的8層CFＲP試樣，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

由于材料試驗(yàn)只能獲得試件的宏觀(guān)應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)等數(shù)據(jù)，而無(wú)法獲得試件全場(chǎng)的應(yīng)力應(yīng)變分布和損傷演化的具體過(guò)程。本文中基于有限單元法建立了CFＲP力學(xué)性能數(shù)值分析模型，在力學(xué)性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過(guò)材料數(shù)值模擬反求材料本構(gòu)參數(shù)，其流程如圖3所示。

在CFＲP數(shù)值分析過(guò)程中，通過(guò)定義殼單元沿厚度方向的積分點(diǎn)數(shù)量來(lái)定義復(fù)合材料鋪層數(shù)量，一個(gè)積分點(diǎn)代表一個(gè)復(fù)合材料鋪層，每個(gè)積分點(diǎn)處的材料坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度代表單層碳纖維的鋪層方向角。CFＲP失效模擬方式為Chang-Chang失效準(zhǔn)則，該準(zhǔn)則包含了4種失效準(zhǔn)則，即纖維拉伸破壞、纖維壓縮破壞、基體開(kāi)裂和基體擠壓，該失效準(zhǔn)則的具體表達(dá)式如下。

對(duì)于纖維拉伸模式σ11＞0，則E1=E2=E12=μ12=μ21=0且判斷

式中：E1，E2，E12分別為縱向彈性模量、橫向彈性模量、面內(nèi)剪切模量；β為剪切應(yīng)力比例系數(shù)，可人為地定義在纖維拉伸模式下剪切所占的權(quán)重，當(dāng)β=1時(shí)，計(jì)算失效準(zhǔn)則相當(dāng)于Hashin失效準(zhǔn)則，當(dāng)β=0時(shí)，式(1)將等效為最大應(yīng)力準(zhǔn)則，通常情況下，β無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)來(lái)獲取，需要經(jīng)過(guò)試錯(cuò)法進(jìn)行標(biāo)定；μ12，μ21分別為主泊松比及次泊松比；Ftu1，F(xiàn)tu2，F(xiàn)cu1，F(xiàn)cu2，F(xiàn)su12分別為縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、縱向壓縮強(qiáng)度、橫向壓縮強(qiáng)度、面內(nèi)剪切強(qiáng)度；σ11，σ22和σ12分別為材料在軸向方向、橫向方向和面內(nèi)方向承受的應(yīng)力；ef，ec，em，ed分別為各模式下判斷失效與否的參數(shù)。采用LS-DYNA軟件對(duì)CFＲP力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值分析，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，材料力學(xué)性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬如圖4所示，反求所得材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)與數(shù)值分析曲線(xiàn)(如圖2所示)對(duì)比可以看出，CFＲP在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂前，應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)趨近于線(xiàn)性變化，材料表現(xiàn)為線(xiàn)彈性性質(zhì)，無(wú)明顯的屈服特征。同時(shí)，由準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)可以明顯看出CFＲP斷裂失效表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征。

CFＲP汽車(chē)頂蓋數(shù)值模型

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采用ABAQUS軟件對(duì)汽車(chē)頂蓋進(jìn)行雪壓分析時(shí)，取車(chē)身上半部作為研究對(duì)象，網(wǎng)格基本尺寸為5mm×5mm，四邊形單元和三角形單元類(lèi)型分別為S4Ｒ和S3，CFＲP制件與鋼制件之間采用膠粘模擬，膠粘單元類(lèi)型選為COH3D8，對(duì)車(chē)身側(cè)圍截?cái)辔恢眉s束X，Y，Z3個(gè)方向的平動(dòng)，評(píng)判頂蓋在重力載荷、1.28kPa的雪壓工況及卸掉雪壓載荷3種工況條件下CFＲP汽車(chē)頂蓋是否會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，雪壓分析有限元模型如圖5所示。加載過(guò)程中，根據(jù)汽車(chē)頂蓋在室外積雪過(guò)程的實(shí)際情況，將一個(gè)復(fù)雜的非線(xiàn)性動(dòng)載問(wèn)題簡(jiǎn)化為分布均勻加載的靜態(tài)剛強(qiáng)度試驗(yàn)問(wèn)題。同時(shí)，將乘用車(chē)頂蓋積雪這一隨機(jī)過(guò)程量化，通過(guò)分析加載前后頂蓋位移變化來(lái)評(píng)判頂蓋在積雪過(guò)程中是否出現(xiàn)永久變形和屈曲現(xiàn)象，以此來(lái)評(píng)判優(yōu)化結(jié)果的可行性。數(shù)值分析采用隱式靜態(tài)幾何非線(xiàn)性算法，考慮了幾何非線(xiàn)性、邊界條件非線(xiàn)性和卸載后的殘余變形，對(duì)CFＲP汽車(chē)頂蓋進(jìn)行雪壓屈曲分析，了解CFＲP汽車(chē)頂蓋的承載與變形能力，判斷是否滿(mǎn)足汽車(chē)頂蓋剛度要求。

CFＲP汽車(chē)頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、初始模型雪壓分析

考慮到CFＲP性能和汽車(chē)頂蓋輕量化要求，在初步設(shè)計(jì)階段采用4層CC-P400－12作為環(huán)氧樹(shù)脂LTC-6010A/B的增強(qiáng)材料，厚度約為1.0mm，并通過(guò)數(shù)值分析來(lái)校核頂蓋剛度是否滿(mǎn)足相關(guān)要求，模擬積雪壓力時(shí)頂蓋位移變化簡(jiǎn)圖和最大變形位置的壓力-位移曲線(xiàn)，如圖6所示，其中，數(shù)值模型在施加壓力時(shí)載荷采取線(xiàn)性增加方式。由圖6(a)～圖6(c)位移變化云圖可知，4層CFＲP汽車(chē)頂蓋位移隨著壓力的增加而增大，且初始最大變形位置發(fā)生在CFＲP汽車(chē)頂蓋后橫梁與后支撐梁之間的A點(diǎn)；隨后載荷繼續(xù)增加，最大變形位置由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。由圖6(d)可見(jiàn)，在4層CFＲP汽車(chē)頂蓋受壓初始階段(階段Ⅰ)具有較好的抗變形能力；當(dāng)壓力達(dá)到1.12kPa時(shí)(階段Ⅱ)，4層CFＲP汽車(chē)頂蓋位移由1.27mm激增至18.63mm，這表明4層CFＲP汽車(chē)頂蓋出現(xiàn)幾何軟化響應(yīng)，發(fā)生屈曲現(xiàn)象；而后當(dāng)壓力達(dá)到1.18kPa后(階段Ⅲ)，4層CFＲP汽車(chē)頂蓋剛度繼續(xù)增加，最大變形達(dá)到24.17mm。由于4層CFＲP汽車(chē)頂蓋在受壓過(guò)程中出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，故無(wú)法滿(mǎn)足雪壓剛度要求。

2、 CFＲP汽車(chē)頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)

由4層CFＲP汽車(chē)頂蓋剛度計(jì)算結(jié)果可知，在頂蓋受載過(guò)程中該鋪層方案無(wú)法滿(mǎn)足相應(yīng)的雪壓分析要求，故在同時(shí)考慮制造工藝約束和頂蓋雪壓分析要求的條件下對(duì)CFＲP汽車(chē)頂蓋進(jìn)行鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中采用自由尺寸優(yōu)化，尺寸優(yōu)化和復(fù)合材料層組優(yōu)化3種優(yōu)化方法，優(yōu)化流程如圖7所示。

2.1 自由尺寸優(yōu)化

在初始設(shè)計(jì)過(guò)程中，汽車(chē)CFＲP頂蓋剛度能較好地滿(mǎn)足剛度要求，通過(guò)自由尺寸優(yōu)化來(lái)獲取每種鋪層角度的最佳鋪層厚度。在自由尺寸優(yōu)化過(guò)程中為復(fù)合材料建立與鋪層角度相對(duì)應(yīng)的幾個(gè)超級(jí)層，該階段每一鋪層角度所在超級(jí)層厚度可連續(xù)變化。優(yōu)化時(shí)，對(duì)各纖維鋪層角度的鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化約束為汽車(chē)CFＲP頂蓋任意節(jié)點(diǎn)位移，優(yōu)化目標(biāo)為汽車(chē)CFＲP頂蓋質(zhì)量最小，優(yōu)化數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示：

式中：m(x)為頂蓋質(zhì)量；gj(x)為第j個(gè)約束響應(yīng)；M為總的約束數(shù)量；Tθ為對(duì)應(yīng)鋪層角度的鋪層厚度；xik為第i個(gè)超級(jí)層中第k個(gè)單元的厚度；NE為單元數(shù)量；Np為超級(jí)層數(shù)量。

為使結(jié)構(gòu)能較好地滿(mǎn)足裝配工藝和制造工藝要求，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中取制件總體厚度為制造約束目標(biāo)：

從而使得優(yōu)化結(jié)果更好地滿(mǎn)足實(shí)際要求。

2.2 尺寸優(yōu)化

通過(guò)自由尺寸優(yōu)化，能較好地確定每種鋪層角度所需的鋪層厚度，但由于層合板在制備過(guò)程中有一定的厚度要求，且鋪層數(shù)量對(duì)制件的力學(xué)性能均有較大影響，所以研究中通過(guò)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)將制件單層厚度與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系進(jìn)行耦合分析，以獲得每種鋪層角度在給定鋪層厚度條件下的最佳鋪層數(shù)量。尺寸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型除采用與自由尺寸優(yōu)化相同的模型外，還需建立多個(gè)設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系。尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)設(shè)計(jì)變量與其他設(shè)計(jì)變量間的關(guān)系可表示為

在該優(yōu)化過(guò)程中，同時(shí)兼顧了工藝制造過(guò)程中單層結(jié)構(gòu)的制件厚度，在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)置每一鋪層角度單層結(jié)構(gòu)的厚度是相等的，即取t=0.25mm，在前期優(yōu)化所得單種角度厚度基礎(chǔ)上計(jì)算制件總的鋪層層數(shù)：

式中：Ni為每種鋪層角度對(duì)應(yīng)的鋪層層數(shù)；Ti為每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的總的鋪層厚度。

在該優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)每一纖維鋪層角度的厚度變量都進(jìn)行了計(jì)算，并最終確定了每一纖維鋪層角度所需的最佳鋪層層數(shù)和CFＲP汽車(chē)頂蓋所需設(shè)計(jì)的總的厚度尺寸。

2.3 層組優(yōu)化

CFＲP的力學(xué)性能與纖維角度的排列順序有著緊密的關(guān)系，在層組優(yōu)化階段，實(shí)際的目的是為了獲得結(jié)構(gòu)的最大剛度系數(shù)矩陣，從而使結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到最大。在CFＲP制備過(guò)程中，鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免固化過(guò)程中由于彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等耦合效應(yīng)引起的翹曲變形和樹(shù)脂裂紋，為此在鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免使用同一方向的鋪層組，如果使用，應(yīng)不多于4層。在層組優(yōu)化設(shè)計(jì)階段考慮了該制造工藝約束，因此本文中選取同一鋪層角度連續(xù)鋪層數(shù)量最多為兩層，以使頂蓋制造能較好地滿(mǎn)足制造工藝要求。

經(jīng)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化后得到CFＲP頂蓋鋪層數(shù)量為6層，鋪層順序?yàn)椋?/90/90/0/0/90］，單層厚度為0.25mm，如圖8所示，其中11101～11103及12101～12103分別代表各鋪層組編號(hào)。

3、 優(yōu)化結(jié)果與分析

經(jīng)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化之后，對(duì)CFＲP汽車(chē)頂蓋再次進(jìn)行雪壓分析，分析結(jié)果表明，6層CFＲP汽車(chē)頂蓋在進(jìn)行數(shù)值分析的過(guò)程中，頂蓋最大變形量為1.922mm，與鋼制頂蓋分析結(jié)果0.769mm對(duì)比可見(jiàn)，雖然變形量大于鋼制頂蓋變形量，但變形依然處于彈性范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象，且在整個(gè)分析過(guò)程中，6層CFＲP頂蓋的位移變化趨勢(shì)比4層CFＲP頂蓋穩(wěn)定，因此判斷6層CFＲP頂蓋未出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象，剛度能滿(mǎn)足要求，最終頂蓋位移云圖和頂蓋壓力-位移變化曲線(xiàn)如圖9和圖10所示。

通過(guò)優(yōu)化使CFＲP頂蓋在滿(mǎn)足剛度及工藝制造等因素的條件下質(zhì)量有了較大幅度的減小，結(jié)果如表2所示。鋼制頂蓋初始質(zhì)量為10.944kg，汽車(chē)CFＲP頂蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為8.906kg，優(yōu)化后頂蓋質(zhì)量降低至4.453kg，較設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量減輕了50%，與鋼制件相比減輕了59.3%，如圖11所示。

結(jié)    論

 

本文中圍繞汽車(chē)CFＲP頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)展了材料制備、材料力學(xué)性能測(cè)定和數(shù)值模擬分析，并最終通過(guò)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化，完成了汽車(chē)CFＲP頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論。

(1)CFＲP數(shù)值模擬曲線(xiàn)與力學(xué)性能試驗(yàn)曲線(xiàn)對(duì)比結(jié)果，誤差在5%以?xún)?nèi)，驗(yàn)證了CFＲP建模的有效性、選用材料本構(gòu)模型參數(shù)和失效準(zhǔn)則可用于后續(xù)的數(shù)值模擬。

(2)在優(yōu)化過(guò)程中同時(shí)兼顧了制造工藝約束和制件剛度兩方面的要求，較好地克服了僅使用理論算法控制制件剛度的局限性，使制件在滿(mǎn)足剛度要求的同時(shí)，成型工藝可行性更好。

(3)將CFＲP與傳統(tǒng)的鋼材對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CFＲP剛度和強(qiáng)度都較金屬材料有較大的提升，尤其是在汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化方面的效果顯著，通過(guò)優(yōu)化，汽車(chē)CFＲP頂蓋質(zhì)量比鋼制頂蓋減輕了59.3%。
 

來(lái)源：期刊—汽車(chē)工程

作者：肖志，杜慶勇，莫富灝等

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)