碳纤维复合材料车用结构设计与仿真研究综述

汽车轻量化技术是实现汽车节能减排的重要举措,已成为国内外汽车工业界的研究热点。碳纤维复合材料在车身上的系统应用引领了汽车行业,尤其是新能源汽车的轻量化进程。本文对国内外碳纤维复合材料车身及零部件的研究成果进行回顾与总结,从结构设计与性能仿真两个方面对目前的研究成果进行了综述,并分析存在的问题和进一步深入研究的方向。     

碳纤维复合材料与铝合金连接方式选型研究

多材料混合车身设计是汽车轻量化的重要手段,其中铝和碳纤维的连接是轻量化车身结构设计和工艺装配面临的挑战。研究了SPR、FDR、抽芯铆钉3种连接方式及结构胶应用于碳纤维复合材料和铝合金异种材料的连接,测定了连接结构的剪切和十字拉伸性能,分析了连接方式和结构胶对力学性能和失效模式的影响,旨在指导碳纤维复合材料连接设计与选择。     

碳纤维复合材料在汽车行业的应用

阐述碳纤维复合材料部件的材料特点,简要介绍国内外碳纤维汽车部件发展状况。以某款产品的发动机罩轻量化开发为例,阐述了应用于该车型的碳纤维发动机罩的开发与应用*。     

碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证

为研究碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能,与同结构金属发动机罩进行了对比试验验证。试验结果表明,碳纤维复合材料发动机罩的头部合成加速度峰值比金属发动机罩平均低30%,在结构加强位置类似的情况下,其更有利于降低头部伤害值;碳纤维复合材料发动机罩对发动机舱内布置影响较小;碳纤维复合材料发动机罩在受到行人头部冲击后能够保证结构的完整性,有利于降低事故维修成本。     

某小型电动汽车复合材料夹层地板结构抗弯性能分析与改进

当前大多车身轻量化设计均围绕着白车身非结构件进行,为进一步达到轻量化的目的,提出一种碳纤维/环氧树脂与硬质PVC泡沫复合的新型夹层结构,并应用于某小型电动汽车地板。根据复合材料层合板理论建立有限元模型,并对其进行抗弯特性分析。在原方案基础上提出抗弯特性结构优化方案,提高了汽车地板抗弯性能,达到弯曲刚度目标设定。通过阶梯式结构设计进一步减轻地板质量,并分析了地板抗冲击性能,为复合材料在汽车结构件上的应用提供了参考。     

后轮罩减振器的静、动刚度研究

本文以具体车型为实例,采用UG软件分析后轮罩减振器的静、动刚度,针对分析结果进行了具体的加强刚度的优化设计。对研究车身的后轮罩减振器的静、动刚度的机构设计具有重要的实用价值。基于汽车轻量化的设计趋势,现代轿车的车身大都采用全承载式结构。全承载式结构使车辆行驶过程中车身承受来自路面的各种载荷,因而车身必须要有足够的刚度。如果车身刚度不足,可能造成车厢密封不严以致漏风、漏雨及内饰脱落等现象发生;在碰撞过程中,也可能会引起车身的门框、窗框、发动机罩口和行李厢开口等处的变形过大。直接或间接地影响汽车的动力响应和燃油经济性能,对汽车行驶的平顺性和操纵性也会产生不利的影响,从而影响汽车的主动安全性。车身刚度爆孔静刚度和动刚     

FDS连接工艺在车身轻量化中的应用研究

正混合车身骨架结构可以大幅度实现车身轻量化,车身新材料的应用使传统的连接方式面临挑战,FDS工艺可实现单面连接,也可以连接异种材料,通过对FDS先进连接技术的应用研究,为我国汽车制造中混合车身连接设计及其国产化提供了有效可行的方案。目前,越来越多的汽车公司开始应用钢铝混合车身骨架结构,使用铝型材、铝冲压件、铝铸件,以及碳纤维等工程塑料和复合材料类部件,结合各种超高强度钢板,替代传统钢板构件或组件,实现车身框架结构的轻量化和高强度。     

碳纤维复合材料导流罩轻量化设计技术研究

为满足商用车轻量化发展需求，从材料轻量化角度出发，将某款商用车驾驶室的玻璃钢顶导流罩替换为碳纤维环氧树脂基复合材料（CFRP）顶导流罩，实现了降重30%的目标，同时性能指标达成，甚至优于原玻璃钢顶导流罩；基于3D-Hashin复合材料失效准则和Cohesive分层失效准则，建立了CFRP基本力学性能仿真模型，并通过与试验结果进行对比，验证了模型的有效性与材料参数准确性；通过优化碳纤维复合材料层合板的铺层角度设计，建立顶导流罩有限元模型，将两种材料的约束模态和刚度进行对比分析，结果表明：与原玻璃钢顶导流罩相比，碳纤维复合材料（CFRP）顶导流罩在显著降重的基础上，约束模态和平均刚度均有所提升，且满足强度性能指标。     

聚丙烯复合材料发动机罩盖行人头部保护优化设计

为研究车辆与行人发生碰撞时汽车发动机罩盖对行人头部的保护性能,减少人车事故中行人的受伤害程度,建立了行人头部冲击器撞击发动机罩盖的有限元模型,分析了行人头部冲击器撞击相同结构的聚丙烯复合材料、钢制发动机罩盖的行人头部保护性能,比较了不同材料发动机罩的吸能特性,探究了发动机罩盖影响头部HIC值的主要影响因素。设计3因素2水平的正交试验,利用LS-DYNA依次进行了试验的仿真计算与分析,确定了各影响因素对头部HIC值的影响顺序,并对复合材料发动机罩盖的结构参数进行了优化调整。为降低复合材料发动机罩盖的头部碰撞损伤相关加速度值,增加其吸能特性,对翼子板进行了局部结构优化设计。结果表明:经过局部优化,铰链结构能使碰撞区域远离行人头部与翼子板尖角处碰撞最为激烈的发动机罩铰链边缘区域;弱化翼子板侧边垂直尖角的结构,能够起到一定的吸能作用,对行人起到保护效果;改进后的长玻纤增强聚丙烯复合材料发动机罩盖的质量相比原来降低51.5%,更有利于满足对车身的轻量化要求,增加车辆燃油经济性;对长玻纤增强聚丙烯复合材料发动机罩盖的静态刚度进行了分析,扭转刚度得到增加,弯曲刚度和侧向弯曲刚度值变化在10%范围内,符合设计要求。     

碳纤维复合材料在汽车上的应用概述

碳纤维复合材料具有密度小、模量高、比强度高等优点,是优异的轻量化材料之一。为探寻碳纤维复合材料在汽车上的应用趋势,文章对近几年碳纤维复合材料在国内外汽车上的应用情况进行了详细分析,发现虽然碳纤维复合材料轻量化效果极佳,但存在成本较高、工艺复杂、效率低下等诸多问题,现阶段还主要应用于国内外的高端车型。由于碳纤维复合材料具有炫丽的外观,深受年轻人喜欢,以“运动套件”的形式开发碳纤维复合材料外饰件,是未来碳纤维复合材料在汽车上应用的主要增长点。     

现代轿车全铝车身的研究和发展趋势

汽车车身是轻量化设计的关键部件，车身轻量化可使发动机负荷相应减轻，底盘部件的受力也会减轻，整车性能将表现更好。     

连续纤维复合材料电池包上盖的设计研究

轻量化技术可有效提高新能源汽车续航能力和驾驶性能,已被广泛应用于汽车的生产制造中。连续纤维复合材料在比强度、比刚度、热膨胀系数与抗疲劳性能等方面比传统金属更具有优势,开启了轻量化新时代。文章以新能源汽车核心部件电池包为研究对象,基于高压树脂传递模塑成型（HP-RTM）工艺,根据碳纤维复合材料与玻璃纤维复合材料的材料特点,对电池包上盖进行了轻量化设计。通过结构优化、工艺优化、连接方式优化等技术手段完成了电池包上盖的轻量化量产方案。电池包样机测试结果表明,采用碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料制作的电池包上盖可以有效提升电池包结构的强度、刚度以及耐疲劳性,综合减重达50%以上。文章所述的连续纤维复合材料轻量化设计方案也可为汽车其他零部件设计提供指导。     

铁铝焊接新技术推动汽车轻量化

<正>2012年,奥巴马政权公布了新燃油消耗标准。汽车厂商为了提高燃油经济性,进行各种各样的技术开发,其中焦点放在汽车的轻量化上面。车身重量越轻,所消耗的燃油越少。除了采用碳纤维复合材料之外,还推动金属材料的轻量化。Brigham Young University大学的Michael Miles教授研究小组开发了高强度钢铁与轻量化铝焊接在一起的技术。从前铁与铝焊接技术     

基于ECB的车身轻量化材料应用趋势

为了给车身材料选择提供参考依据,更好地指导车身轻量化设计。在介绍车身轻量化理论基础上,对ECB车身材料进行分类统计,分析了高强钢、铝合金、复合材料的应用现状和应用趋势。研究结果表明,车身轻量化材料向多元化发展,多材料复合车身是未来车身的发展方向,高强钢和铝合金的应用随着市场波动呈现出一种此消彼长的交替变化关系,成本和产能是制约复合材料从高端车型向中低端车型扩展的主要因素。     

车讯

正中国碳纤维复合材料应用技术创新联盟成立近日,中国碳纤维复合材料应用技术创新联盟在北京正式成立。在新能源汽车大力发展的今天,汽车轻量化也越发重要。汽车的行驶阻力与车重成正比,汽车自重每减少10%,燃油消耗可降低6%-8%,由于环保和节能的双重需要,汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。中国碳纤维复合材料应用技术创新联盟的成立,旨在把政府与产业界、顶层设计与企业实践紧密结合起来,搭建终端应用牵引的产业     

钢塑一体轻量化车身结构设计研究

为实现结构优化和材料替换的混合结构设计,提出钢塑一体轻量化车身结构。以一简单试件验证了钢塑一体结构的可行性;根据灵敏度结果,在普通钣金结构车身的基础上构建了钢塑一体车身结构并对其进行尺寸优化。优化结果表明,钢塑一体车身结构在总质量降低51 kg的基础上,其静、动态特性均有不同程度的改善。最后,通过发动机罩总成试验验证了钢塑一体车身结构的轻量化优势。     

复合材料车身对头部撞击损伤的模拟

利用三维有限元分析方法模拟了人体头部与复合材料层板发生柔性撞击时的整个动态响应过程。采用复合材料层板模拟了汽车的发动机罩板。分析了石墨环氧As-3501-6两种铺设类型的复合材料层板与人体头部撞击的动态响应特性，得到了铺设角度对头部HIC值、撞击速度和位移的影响。文中的模型为设计具有保护行人头部功能的复合材料车身结构提供了参考。     

探究复合材料发动机罩的行人保护作用

为探究复合材料发动机罩行人保护的作用,需要在结构设计及优化的基础上,进行静态和动态性能的仿真分析,即在达到发动机罩静态性能指标的前提下,要满足动态行人保护头部碰撞的要求.由于动静态的性能要求难以同时达到,则需要不断地进行结构调整和仿真计算,以达到符合复合材料发动机罩静力学和动力学性能要求的目的,从而有效实现发动机罩部件的轻量化并提高整车的动力性能.     

碳纤维复合材料疲劳寿命预测流程

通过对碳纤维增强复合材料(CFRP)的准静态力学性能及疲劳性能的研究,使用经典的CLD模型,提出了一套碳纤维增强复合材料疲劳寿命预测的流程方法。基于本流程方法可实现对碳纤维复合材料结构的疲劳寿命预测,进而为轻量化的汽车零部件结构设计提供设计参考。     

车身轻量化技术路径发展研究

从车身结构优化、新型轻量化材料及先进制造工艺3个方面介绍了国内外车身轻量化方面的最新技术进展。从整车性能和成本的角度出发对这3条技术路径的相互关系进行了研究。探讨在项目研发的早期借助于多目标拓扑优化方法,结合超强钢、碳纤维复合材料等新材料的应用,进行车身结构优化。研究不同的实施路径对产品开发的适应性。并提出针对不同市场定位的车型实施不同车身轻量化的解决方案。