碳纤维复合材料汽车轻量化理念的应用及其制造设计方法

现在给大家分享关于碳纤维复合材料汽车轻量化理念的应用及其制造设计方法的知识点，其中也会对于汽车有限元模型的题进行讲解，就让小编带各位解吧！

前言

传统的汽车保险杠一般采用金属材料制成，最常见的是厚度在3毫米以上的经过表面处理的钢板，通过焊接或铆接的方式与车身连接。

但这种方式不仅因增大车身间隙而降低了整体美观性，而且由于金属材料重量过大，增加了车辆行驶时的惯性，导致制动力变长。距离影响安全。

此外，金属材料容易腐蚀，从而缩短汽车的使用寿命。金属材料的抗冲击能力较差，不能很好地保护乘客的人身安全。

人们迫切需要寻找性能更好的材料来替代传统金属材料，既可以减轻车身重量，又可以提高安全性。

上世纪，片状模塑料首次用于汽车保险杠，取得了惊人的效果。采用纳米聚丙烯复合材料制成的汽车保险杠替代现有金属材料，使保险杠厚度减少25%，质量降低约33%。

碳纤维材料开始引起广泛关注，并越来越多地应用于汽车保险杠。碳纤维材料含碳量90%以上，由碳元素组成，由碳纤维增强塑料复合材料制成。

这种材料的密度仅为普通钢材的五分之一左右，但其比强度却是钢材的10倍以上。尽管碳纤维复合材料价格较高，但由于其轻质和高强度的特性，它们是汽车保险杠的首选材料之一。

碳纤维塑料复合材料不仅可以减轻车身重量并提高能源效率，而且可以在发生碰撞时提供更好的保护，提高驾驶安全性。

碳纤维塑料复合材料在汽车保险杠设计中的应用将是未来发展的一个重要方向。

碳纤维增强塑料复合材料

碳纤维增强塑料复合材料是连续碳纤维与塑料基体采用特定成型方法复合而成的性能优异的复合材料。

如图所示，CFRP材料重量轻，能量吸收性能优异，因此可以用作结构材料，并且可以一次成型大型零件，降低制造难度。

连续碳纤维由人造丝、沥青纤维、聚丙烯等纤维碳化而成，具有高长径比、高强度和刚性。

CFRP材料常用于汽车保险杠，是一种连续碳纤维与环氧树脂基体相结合的碳纤维增强环氧树脂复合材料。环氧树脂是一种高热固性塑料，具有低密度、高机械强度和刚性，非常适合轻量化汽车保险杠的设计。

如表所示，与玻璃纤维增强聚丙烯复合材料和铝合金相比，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有更低的密度和更高的强度，表现出优异的机械性能。

碳纤维增强环氧树脂复合材料力学性能测试拉伸试验结果表明，断裂首先发生在试件的薄弱区域，并伴有纤维丝的断裂，并伴有明显的脆性断裂特征。

拉伸-位移曲线呈现线性上升趋势，表明复合材料的脆性行为。弯曲试验按国家标准GB/T1449-2005进行，样品先开裂，后断裂。

试件受压侧出现挤压斜裂纹，受拉侧出现拉伸裂纹，呈现分层裂纹现象。

利用MAT54建立仿真模型，分析碳纤维增强环氧树脂复合材料的应力应变行为。

模拟结果与实际实验结果相似，复合材料的最大拉伸强度为802MPa，最大弹性模量为585GPa，表现出优异的力学性能。采用该材料制成的汽车保险杠具有优异的抗冲击性能和安全性能。

具有一体式防撞梁结构的汽车保险杠

一体化汽车保险杠多采用中空结构，内部填充高吸能泡沫材料，保险杠本体采用碳纤维增强环氧树脂复合材料制成。

首先建立保险杠有限元模型，根据结构特点和成本采用超立方抽样法确定设计变量，选取80个样本点和20个验证点调整板厚变量。然后建立克里金近似模型，并从表中选择高精度克里金模型格式。

INF和RCF变量用于评价横梁保险杠的碰撞安全性，INF值越小，防护能力越强，RCF值越小，抗碰撞性越好。

然后，利用遗传算法对上述克里金模型进行求解，实现多重优化调整。

根据优化方案，采用计算机辅助设计和有限元方法进行仿真计算。通过CAE技术对保险杠的抗碰撞性能进行仿真分析。

研究结果发现，通过采用碳纤维增强环氧树脂复合材料作为原材料，保险杠的重量从最初的25公斤减轻到16公斤，实现了突破性的减重36%。

在保证碰撞性能约束的前提下，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料通过计算机辅助设计和优化，可以极大地实现汽车保险杠的轻量化效果。

汽车保险杠的改进

改进后的汽车保险杠采用分段式结构，并引入蒙皮和吸能器，进一步提高了碰撞吸能能力，与传统的一体式结构相比，具有更好的防撞性能。蒙皮是保险杠的最外层部分，不具有抗冲击性能，但用于覆盖整体结构。

考虑到蒙皮尺寸较大，采用轻质材料制作可以有效减轻保险杠的质量。而且流线型的设计不仅减少了车辆行驶时的空气阻力，还改善了保险杠的美观。

能量吸收装置位于蒙皮与保险杠横梁之间，其主要作用是吸收碰撞时的冲击能量。一般采用方形或圆形结构，设计时必须考虑实际碰撞情况，并优化安装角度，以吸收尽可能多的冲击能量。

典型的能量吸收器由碳纤维增强环氧树脂复合材料制成，例如，能量吸收盒的形式是薄壁管折叠成规则的四角锥体。该结构受轴向力时，各角部变形，吸能箱塌陷，产生较大的塑性变形，进一步提高吸能性能。

保险杠梁也称为防撞梁，可以更好地将冲击力传递到吸能器和前纵梁上，并吸收部分能量。

为了减少车体阻力，防撞梁一般采用圆弧设计，并设有加强筋结构。CFRP因其高强度、优异的冲击力传递能力和各向异性而成为理想的材料选择。

帘布层角度的选择对性能有重大影响，针对不同碰撞类型优化设计可以实现碰撞过程中的能量耗散和传递。

防撞梁的厚度并不是越多越好，每个部位的厚度必须不同。高速碰撞时，能量比低速碰撞时大得多，保险杠的变形可能会严重，能量吸收装置的保护能力可能会降低。

保险杠的能量吸收值主要取决于防撞梁的厚度。优化防撞梁厚度需要综合考虑能量吸收和加速度，针对各部位选择不同的厚度。

将能量吸收器和防撞梁组合成保险杠系统，以进行完整的模拟碰撞测试。通过计算机辅助设计和优化，保险杠系统可以显着提高低速和高速碰撞情况下的防撞性能，同时保持优异的轻量化性能。

通过进一步改进原材料，例如添加橡胶层，可以进一步提高耐冲击性。

通过引入蒙皮和吸能器，优化防撞梁设计，并与计算机仿真相结合，汽车保险杠的性能得到显着提升，提高了汽车的整体安全性能。

因此

如果在车速不超过4公里/小时的情况下发生正面碰撞，车身纵梁、座舱等结构仍保持较小的变形，凸显了汽车保险杠对于安全行驶的重要性。

车身质量的减轻提高了汽车的加速和制动性能，减少惯性效应，消散碰撞能量，进一步提高安全性能。

轻量化材料的使用是汽车轻量化的根本方法，碳纤维增强环氧树脂复合材料作为轻质高强材料备受关注，虽然价格昂贵，但由于其优异的性能而得到广泛应用。

现有的一体式汽车保险杠结构仅包括填充吸能泡沫的空心防撞梁设计，重量轻但缺乏安全性能。

改进后的保险杠结构引入了蒙皮、吸能器和防撞梁，并通过计算机辅助设计和模拟技术采用了轻质碳纤维复合材料，尽管整体体积有所增加。

通过优化各部件的厚度和结构，保险杠设计得更轻，同时保证安全。这种设计也能在一定程度上降低生产成本，为汽车制造商提供强有力的理论指导。

参考

[1]李永刚.碳纤维复合材料汽车保险杠的研究[D]沉阳沉阳工业大学，2015

[2]张金虎汽车保险杠碰撞模拟研究[D]武汉武汉理工大学，2009

[3]王庆，卢家海，刘钊等.碳纤维增强复合材料汽车保险杠轻量化设计[J]上海交通大学学报，2017，512:136-141

[4]汽车前防撞梁碰撞耐久性分析及轻量化研究，苏尚斌[D]淄博山东科技大学，2015

[5]李阳，施维臣.汽车保险杠横梁的研究与改进[J]汽车实用技术，2017，10，164-166

SolidWorks有限元分析技巧？SolidWorks有限元分析公式为“模型-边界条件-网格-材料属性-加载-分析-后处理”。执行SolidWorks有限元分析时，必须遵循某些步骤才能获得准确的结果。公式中的各个步骤涉及建立模型、设置边界条件、创建网格、定义材料属性、应用载荷、求解和后处理。只有遵循这些步骤才能保证分析结果的准确性和可靠性。除了遵循说明外，在选择合适的材料属性和加载方法以及进行后处理时，还应注意分析结果的可视化和显示。同时，您必须不断学习和提高您的分析技能，以便更好地应用SolidWorks有限元分析。

如何理解UG有限元分析结果？UG有限元分析是一种常用的工程分析方法，它通过将实体模型转换为有限元模型并结合载荷和边界条件来计算受力结构的变形和应力状态，为工程设计提供重要的参考资料。下面介绍如何理解UG有限元分析结果

1查看变形形状图通过有限元分析计算出的变形形状图有助于直观地了解结构在受力作用下的变形程度和变形分布，有助于识别和调整哪部分变形比较大，出现这种情况。设计方案或加强结构支撑

2查看应力云图通过有限元分析计算出的应力云图，有助于直观地了解结构在受力状态下的应力状态和应力分布，有助于判断结构中哪个部位的应力比较高，从而使结构能够处理压力。这可以帮助您决定是否接受压力。满足设计要求或调整设计方案。

3应变和应力值的确定通过有限元分析计算出的应变和应力值可以帮助了解受力结构的具体应变程度和应力，并可以帮助确定结构是否超过其承载能力。材料或设计要求或结构优化。

4检查反作用力值通过有限元分析计算出的反作用力值可以帮助您了解受力结构中的应力，帮助您确定结构是否满足设计要求或进行结构优化。

UG有限元分析结果只是一种工程分析方法，结果的准确性和可靠性取决于分析模型的建立和分析变量的选择，因此需要谨慎应用和评估。在工程实践中。同时，为了准确理解和应用分析结果，需要了解和掌握有限元分析的基本原理和方法。