CFRP優(yōu)化汽車頂蓋鋪層，實現(xiàn)汽車輕量化！

2019-02-01 10:52:30· 來源：湖南大學，汽車車身先進設(shè)計制造國家重點實驗室作者：肖志，杜慶勇，莫富灝等

為減少汽車的能源消耗和對環(huán)境的污染，輕量化技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。復合材料，尤其是連續(xù)碳纖維增強復合材料(carbonfiberreinforcedpolymer，CFＲP)的應(yīng)用是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑。CFＲP是一種可設(shè)計性較強的復合材料，其鋪層方式得到

本文中基于汽車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)化方法對汽車CFＲP頂蓋進行了鋪層設(shè)計，以兼顧制件工藝要求與性能目標。

CFＲP力學性能測定

1、CFＲP樣件制備

在數(shù)值分析過程中，材料本構(gòu)參數(shù)的正確獲取與分析結(jié)果的準確性有著密切的關(guān)系，本文中為獲取材料數(shù)值模型本構(gòu)參數(shù)，采用試驗與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對CFＲP開展相關(guān)研究。在CFＲP板材制備試驗中，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)氧樹脂LTC-6010A/B。在材料制備過程中，依次在真空輔助成型工藝平臺上鋪放下脫模布、碳纖維材料、上脫模布、導流網(wǎng)和真空袋等，當密封性和壓力達到要求的條件時注入樹脂，并在適宜的條件下進行固化處理，從而制備試驗用CFＲP板材，如圖1所示。材料制備平臺溫度為35℃，預固化時間為4h，后固化溫度為80℃，后固化時間為4h。

2、力學性能試驗與參數(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)，開展了材料單向拉伸試驗和三點彎曲力學性能試驗，并根據(jù)試驗結(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)的準確性。CFＲP單向拉伸試驗和三點彎曲試驗分別在微機控制電子萬能試驗機CMT5105和CMT4304上進行。其中，單向拉伸試驗參照標準GB/T3354—1999進行，拉伸速率為2mm/min，環(huán)境溫度為23℃，樣件選用標距(測量長度)為50mm、厚度為1.96mm的8層CFＲP試樣。三點彎曲試驗參照標準GB/T1449—2005進行，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，試驗結(jié)果如圖2所示。

由于材料試驗只能獲得試件的宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)，而無法獲得試件全場的應(yīng)力應(yīng)變分布和損傷演化的具體過程。本文中基于有限單元法建立了CFＲP力學性能數(shù)值分析模型，在力學性能試驗基礎(chǔ)上通過材料數(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)值分析過程中，通過定義殼單元沿厚度方向的積分點數(shù)量來定義復合材料鋪層數(shù)量，一個積分點代表一個復合材料鋪層，每個積分點處的材料坐標系旋轉(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失效準則，該準則包含了4種失效準則，即纖維拉伸破壞、纖維壓縮破壞、基體開裂和基體擠壓，該失效準則的具體表達式如下。

對于纖維拉伸模式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β=1時，計算失效準則相當于Hashin失效準則，當β=0時，式(1)將等效為最大應(yīng)力準則，通常情況下，β無法通過試驗來獲取，需要經(jīng)過試錯法進行標定；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分別為縱向拉伸強度、橫向拉伸強度、縱向壓縮強度、橫向壓縮強度、面內(nèi)剪切強度；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CFＲP力學性能進行數(shù)值分析，并經(jīng)試驗驗證，材料力學性能試驗與數(shù)值模擬如圖4所示，反求所得材料力學性能參數(shù)如表1所示。通過力學性能試驗與數(shù)值分析曲線(如圖2所示)對比可以看出，CFＲP在準靜態(tài)拉伸斷裂前，應(yīng)力應(yīng)變曲線趨近于線性變化，材料表現(xiàn)為線彈性性質(zhì)，無明顯的屈服特征。同時，由準靜態(tài)單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線可以明顯看出CFＲP斷裂失效表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征。

CFＲP汽車頂蓋數(shù)值模型

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采用ABAQUS軟件對汽車頂蓋進行雪壓分析時，取車身上半部作為研究對象，網(wǎng)格基本尺寸為5mm×5mm，四邊形單元和三角形單元類型分別為S4Ｒ和S3，CFＲP制件與鋼制件之間采用膠粘模擬，膠粘單元類型選為COH3D8，對車身側(cè)圍截斷位置約束X，Y，Z3個方向的平動，評判頂蓋在重力載荷、1.28kPa的雪壓工況及卸掉雪壓載荷3種工況條件下CFＲP汽車頂蓋是否會發(fā)生屈曲現(xiàn)象，雪壓分析有限元模型如圖5所示。加載過程中，根據(jù)汽車頂蓋在室外積雪過程的實際情況，將一個復雜的非線性動載問題簡化為分布均勻加載的靜態(tài)剛強度試驗問題。同時，將乘用車頂蓋積雪這一隨機過程量化，通過分析加載前后頂蓋位移變化來評判頂蓋在積雪過程中是否出現(xiàn)永久變形和屈曲現(xiàn)象，以此來評判優(yōu)化結(jié)果的可行性。數(shù)值分析采用隱式靜態(tài)幾何非線性算法，考慮了幾何非線性、邊界條件非線性和卸載后的殘余變形，對CFＲP汽車頂蓋進行雪壓屈曲分析，了解CFＲP汽車頂蓋的承載與變形能力，判斷是否滿足汽車頂蓋剛度要求。

CFＲP汽車頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計

1、初始模型雪壓分析

考慮到CFＲP性能和汽車頂蓋輕量化要求，在初步設(shè)計階段采用4層CC-P400－12作為環(huán)氧樹脂LTC-6010A/B的增強材料，厚度約為1.0mm，并通過數(shù)值分析來校核頂蓋剛度是否滿足相關(guān)要求，模擬積雪壓力時頂蓋位移變化簡圖和最大變形位置的壓力-位移曲線，如圖6所示，其中，數(shù)值模型在施加壓力時載荷采取線性增加方式。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汽車頂蓋后橫梁與后支撐梁之間的A點；隨后載荷繼續(xù)增加，最大變形位置由A點轉(zhuǎn)移到B點。由圖6(d)可見，在4層CFＲP汽車頂蓋受壓初始階段(階段Ⅰ)具有較好的抗變形能力；當壓力達到1.12kPa時(階段Ⅱ)，4層CFＲP汽車頂蓋位移由1.27mm激增至18.63mm，這表明4層CFＲP汽車頂蓋出現(xiàn)幾何軟化響應(yīng)，發(fā)生屈曲現(xiàn)象；而后當壓力達到1.18kPa后(階段Ⅲ)，4層CFＲP汽車頂蓋剛度繼續(xù)增加，最大變形達到24.17mm。由于4層CFＲP汽車頂蓋在受壓過程中出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，故無法滿足雪壓剛度要求。

2、 CFＲP汽車頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計

由4層CFＲP汽車頂蓋剛度計算結(jié)果可知，在頂蓋受載過程中該鋪層方案無法滿足相應(yīng)的雪壓分析要求，故在同時考慮制造工藝約束和頂蓋雪壓分析要求的條件下對CFＲP汽車頂蓋進行鋪層優(yōu)化設(shè)計。在優(yōu)化設(shè)計過程中采用自由尺寸優(yōu)化，尺寸優(yōu)化和復合材料層組優(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)計過程中，汽車CFＲP頂蓋剛度能較好地滿足剛度要求，通過自由尺寸優(yōu)化來獲取每種鋪層角度的最佳鋪層厚度。在自由尺寸優(yōu)化過程中為復合材料建立與鋪層角度相對應(yīng)的幾個超級層，該階段每一鋪層角度所在超級層厚度可連續(xù)變化。優(yōu)化時，對各纖維鋪層角度的鋪層厚度進行優(yōu)化，優(yōu)化約束為汽車CFＲP頂蓋任意節(jié)點位移，優(yōu)化目標為汽車CFＲP頂蓋質(zhì)量最小，優(yōu)化數(shù)學表達式如下所示：

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

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

從而使得優(yōu)化結(jié)果更好地滿足實際要求。

2.2 尺寸優(yōu)化

通過自由尺寸優(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程中有一定的厚度要求，且鋪層數(shù)量對制件的力學性能均有較大影響，所以研究中通過尺寸優(yōu)化設(shè)計將制件單層厚度與設(shè)計變量之間的關(guān)系進行耦合分析，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，還需建立多個設(shè)計變量之間的關(guān)系。尺寸優(yōu)化設(shè)計過程中，一個設(shè)計變量與其他設(shè)計變量間的關(guān)系可表示為

在該優(yōu)化過程中，同時兼顧了工藝制造過程中單層結(jié)構(gòu)的制件厚度，在本次優(yōu)化設(shè)計過程中設(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)上計算制件總的鋪層層數(shù)：

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

在該優(yōu)化設(shè)計過程中，對每一纖維鋪層角度的厚度變量都進行了計算，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汽車頂蓋所需設(shè)計的總的厚度尺寸。

2.3 層組優(yōu)化

CFＲP的力學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)的剛度達到最大。在CFＲP制備過程中，鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)避免固化過程中由于彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等耦合效應(yīng)引起的翹曲變形和樹脂裂紋，為此在鋪層設(shè)計過程中應(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，鋪層順序為［0/90/90/0/0/90］，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。

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CFＲP汽車頂蓋再次進行雪壓分析，分析結(jié)果表明，6層CFＲP汽車頂蓋在進行數(shù)值分析的過程中，頂蓋最大變形量為1.922mm，與鋼制頂蓋分析結(jié)果0.769mm對比可見，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，且在整個分析過程中，6層CFＲP頂蓋的位移變化趨勢比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，剛度能滿足要求，最終頂蓋位移云圖和頂蓋壓力-位移變化曲線如圖9和圖10所示。

通過優(yōu)化使CFＲP頂蓋在滿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CFＲP頂蓋優(yōu)化設(shè)計前的設(shè)計標準質(zhì)量為8.906kg，優(yōu)化后頂蓋質(zhì)量降低至4.453kg，較設(shè)計標準質(zhì)量減輕了50%，與鋼制件相比減輕了59.3%，如圖11所示。