碳纤维复合材料在汽车后下部防护装置中的应用探讨

徐海澜，张科峰

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

碳纤维复合材料在汽车后下部防护装置中的应用探讨

徐海澜，张科峰

（重庆车辆检测研究院国家客车质量监督检验中心，重庆401122）

基于某静态加载试验方法，运用ABAQUS对碳纤维复合材料制造的后下部防护装置进行有限元模拟，分析碳纤维复合材料的铺层方案对后下部防护装置性能的影响。研究表明，横梁采用90°单一角度铺层方案，纵梁采用混合角度铺层方案的组合性能最好。

汽车后下部防护装置；碳纤维复合材料；有限元分析

在轿车追尾货车事故中，由于两者尺寸差异很大，往往轿车会钻入货车后部。这种情况下，轿车发动机舱的吸能效果非常有限，结果就是货车后部直接撞击轿车乘员舱，导致轿车驾驶员头部受到严重伤害［1］。为了减少这种情况的发生，世界各国都出台了关于货车后下部防护装置的相关标准，我国标准GB 11567.2［2］、美国FMVSS 223［3］和FMVSS 224［4］以及欧洲ECER58［5］都规定了货车后下部防护装置的尺寸、安装、强度和吸能等要求。目前，关于后下部防护装置的研究主要集中在结构优化方面［6-8］，而对于其材料的研究比较少。

碳纤维复合材料（CFRP）是一种高强度复合材料［9-10］，具有高的比强度和比刚度。此外，还具有良好的耐热性和抗酸碱腐蚀能力，是一种发展前景十分广阔的轻量化材料，其在汽车领域的应用也越来越广泛。现阶段碳纤维的成本还很高，但国际上正在展开低成本碳纤维的研究，并已经有所突破，有望把碳纤维成本控制在11～15美元/kg［11］，届时其相对于传统材料的优势将更加明显。用碳纤维复合材料来替代传统钢材制作货车的后下部防护装置，虽然成本有所增加，但可以极大地减轻后下部防护装置的重量，并且提高后下部防护装置的性能。本文通过对一种后下部防护装置的静态加载试验有限元模拟分析，探讨碳纤维复合材料的铺层方案对于货车后下部防护装置性能的影响，找到最优的铺层方案。

1　碳纤维复合材料的选择及性能参数

碳纤维复合材料是由增强纤维材料和基体材料所构成的。增强纤维材料是复合材料性能的主要贡献者，而基体材料的主要作用是将排列整齐的增强纤维材料粘合到一起形成一个整体。碳纤维复合材料是垂直异性材料，其性能在纤维方向（1方向）和垂直于纤维方向上（2、3方向）差异很大。

1）碳纤维增强材料的选择。碳纤维增强材料在增强纤维材料性能中有绝对优势，其种类较多，有T300、T700、T800等等级之分。本文选择T300作为碳纤维增强材料，主要是由于其性能已经足够优越、稳定，而且成本相对较低，适合大批量生产。其性能参数如下：拉伸强度为3 530MPa，弹性模量为230GPa，密度为1.76 g/cm3，纤维直径为7μm。

2）基体材料的选择。碳纤维复合材料，一般采用树脂作为其基体材料。本文所用的基体材料为5208环氧树脂。这种树脂与纤维材料的适配性较好，成本低，易加工，适合于尺寸较大或者结构较复杂的零件整体成型。其性能参数如下：拉伸强度为85MPa，弹性模量为3.3 GPa，密度为1.3 g/cm3，比强度（材料抗拉强度与其密度之比）为0.654×106Pa/（kg/m3），线膨胀系数为59×10-61/K。

3）碳纤维复合材料性能参数。由T300碳纤维和5208环氧树脂基体所组成的碳纤维复合材料，其性能参数如下：沿纤维方向的弹性模量E1=181GPa；垂直于纤维方向的弹性模量分别为E2=E3=10.3GPa；各个方向上的泊松比分别为u21=u31=0.28、u32=0.3；各个方向上的剪切模量分别为G12=G13=7 170MPa、G23=3 780MPa；沿纤维方向的拉伸应力极限Xt和压缩应力极限Xc都为1 500 MPa；垂直于纤维方向的拉伸应力极限为Yt=40MPa；垂直于纤维方向的压缩应力极限Yc=246MPa；剪切强度为S=68MPa。本文所用的原材料为由该复合材料所制成的单向碳纤维布，该布的碳纤维丝都是朝一个方向排列的。碳纤维复合材料属于脆性材料，其材料延伸率在3%左右。而钢材的延伸率一般在10%以上。所以在能量的耗散方式上，碳纤维复合材料与钢材有所不同。钢材主要是通过塑性变形来吸收撞击能量，而碳纤维复合材料则是通过材料失效把撞击能量消散掉。

4）碳纤维复合材料成本分析。现阶段碳纤维的价格很高，本文中后下部防护装置所用碳纤维布的价格大概在1 200元/kg左右。现阶段用碳纤维制造后下部防护装置的成本大概是用钢材制造的10～15倍。但国际上正在展开低成本碳纤维的研究，并已经有所突破，有望把碳纤维成本控制在11～15美元/kg［12］。这样使用碳纤维制作后，下部防护装置的成本将大幅下降到仅为钢材的1～1.5倍（钢材的价格几乎没有下降空间）。

2　碳纤维复合材料后下部防护装置性能的有限元模拟分析

2.1静态加载试验有限元建模

本文所讨论的后下部防护装置的尺寸见图1。该后下部防护装置由一根水平横梁以及两根与其垂直的纵梁所组成。横梁和纵梁厚度分别为5mm和10mm。

最新的GB 11567《汽车和挂车侧面及后下部防护要求》征求意见稿中规定的静态加载试验方法：在距离后下部防护装置左端面250mm处在x方向上施加50 kN的力，测量后下部防护装置在受力方向上的最大位移量。位移量越小，说明后下部防护装置性能越好。作为对比，本文对由AISI1017钢材焊接而成的相同结构后下部防护装置进行实际试验，并做有限元模拟对比分析。试验得到其最大位移为132.9mm，有限元模拟所得的最大位移为136.2mm。试验与仿真结果之间的误差仅为2.5%。说明该有限元模拟分析能够反映出实际试验情况。静态加载试验和有限元模型如图2所示。

2.2碳纤维复合材料的组织结构

本文所讨论的后下部防护装置的碳纤维复合材料是由一定厚度的单向碳纤维布一层一层粘结而成，粘结剂和基底材料相同。为了使碳纤维后下部防护装置达到最佳性能，需对每一层纤维的朝向（即铺层角度）进行优化，从而得出最佳的纤维朝向的堆叠顺序（即铺层方案）。后下部防护装置由横梁和纵梁两个部件组成，为找到最优铺层方案，先固定纵梁的铺层方案，只改变横梁的铺层方案，从而找出横梁铺层方案对于装置性能的影响。之后再固定横梁铺层方案，只改变纵梁的铺层方案以确定其对于装置性能的影响。本文中碳纤维复合材料后下部防护装置的横梁的碳纤维有10层，每层厚度为0.5mm；纵梁的碳纤维也有10层，每层厚度为1mm。有限元模型中各纤维铺层角度（以下简称“铺层角度”）如图3所示。

2.3横梁的铺层方案对于后下部防护装置性能的影响

本文中铺层方案的表示方法采用的是复合材料通用的Staking-Sequence Notation表示法。

1）横梁采用同一铺层角度时不同铺层方案的影响。同一铺层角度指的是复合材料中每一层的铺层角度都是一样的。这里固定纵梁的铺层方案为（即从里到外一共有10层，每层的铺层角度都为0°），横梁采用同一铺层角度进行铺层，讨论不同的横梁铺方案对于后下部防护装置性能的影响。横梁的铺层方案分别为［0°10］、［10°10］、［20°10］、［30°10］、［40°10］、［50°10］、［60°10］、［70°10］、［80°10］、［90°10］，这种情况下后下部防护装置在受力方向上的最大位移（mm）分别为239.8、233.7、219.7、197.8、168.4、133.7、97.5、65.1、43.1、36.6。

2）横梁采用混合铺层角度时不同铺层方案的影响。混合铺层角度指的是复合材料中各层的铺层角度不尽相同。这里固定纵梁的铺层方案为［0°10］，横梁采用典型的混合铺层角度进行铺层，讨论不同的横梁铺层方案对于后下部防护装置性能的影响。这种情况下后下部防护装置在受力方向上的最大位移见表1。

表1　固定纵梁铺层方案为[0°10]，横梁采用典型的混合铺层角度时不同铺层方案的最大位移

2.4纵梁的铺层方案对于后下部防护装置性能的影响

1）纵梁采用同一铺层角度时不同铺层方案度的影响。在上文中可以看到，当横梁铺层方案为［90°10］时位移量最小，所以在改变纵梁铺层方案时，将横梁的铺层方案固定为［90°10］。纵梁采用同一铺层角度进行铺层，讨论不同的纵梁铺层方案对于后下部防护装置性能的影响。纵梁的铺层方案分别为［0°10］、［10°10］、［20°10］、［30°10］、［40°10］、［50°10］、［60°10］、［70°10］、［80°10］、［90°10］，这种情况下，后下部防护装置在受力方向上的最大位移（mm）分别为36.6、36.7、37.3、37.2、36.8、36.7、37.4、39.5、42.8、46.1。

2）纵梁采用混合铺层角度时不同铺层方案的影响。固定横梁的铺层方案，纵梁采用混合铺层角度进行铺层，讨论不同的纵梁铺层方案对于后下部防护装置性能的影响。纵梁铺层方案为［90°10］时横梁混合角度铺层方案与表1一致。这种情况下，后下部防护装置受力方向上的最大位移（mm）分别为32.4、35.4、32.7、32.1、32.5、32.4、32.7、35.1、35.2、32.8。

2.5对比分析

1）同一铺层角度。图4把四种不同情况下的铺层方案对后下部防护装置的性能影响进行了对比。图4中可以看到，在采用同一铺层角度进行铺层的情况下，改变横梁铺层方案对于后下部防护装置性能的影响非常大，而改变纵梁铺层方案对于后下部防护装置性能的影响相对小了很多。这说明就同一铺层角度进行铺层而言，横梁铺层的敏感度远高于纵梁。这主要是由后下部防护装置的结构和受力特性所造成的。后下部防护装置的横梁是规则的长方体，碳纤维复合材料是各向异性材料，在用同一铺层角度进行铺层的情况下其体现的是垂直各向异性，即在沿纤维方向和垂直于纤维方向的性能差异很明显。当纤维方向与受力方向一致时，其性能很好，原因在于增强用的碳纤维起了主导作用。然而，在垂直于纤维的方向上，其性能主要是由基体决定的，而基体的性能远不如碳纤维，所以当横梁铺层方案为［90°10］时，横梁的碳纤维复合材料主要受到的是沿纤维方向的力，使得横梁在这种受力下性能很好。反之，当横梁铺层方案为［0°10］时，其受到的力主要是垂直于纤维方向，由于基体性能远不如碳纤维，所以性能差异就会很大。后下部防护装置的纵梁采用不规则结构，这样很大程度上抵消了采用同一铺层角度进行铺层时碳纤维复合材料所产生的垂直各向异性。所以对于采用同一铺层角度进行铺层的纵梁而言，在改变铺层方案的时候，纵梁的碳纤维复合材料总是有一部分的受力主要沿纤维方向，所以改变纵梁铺层方案对于后下部防护装置最大位移量的影响较小。

2）混合铺层角度。从图4中可以看出，横梁采用混合铺层角度时，铺层角度种类的增加大幅削弱了碳纤维复合材料的各向异性。对于横梁而言，相较于同一角度铺层的方案，混合角度铺层方案对于后下部防护装置性能影响的敏感度明显降低。最大位移基本上处于50～60mm的水平。但是也可以看见，横梁采用［45°/-45°］5的铺层方案时，其得到的最大位移量明显高于横梁采用其他混合角度铺层方案。主要是因为在铺层角度为45°时，横梁最大位移量的变化率是最大的，而越靠近0°或者90°其变化率就会越小，所以铺层角度为±30°的性能靠近铺层角度为0°的性能，铺层角度为±60°的性能靠近铺层角度为90°的性能。综合本文所选铺层方案，除了［45°/-45°］5之外，其余都有90°和±60°的铺层角度参与。只要这些铺层角度参与其中，就能使横梁最大位移量明显下降，这也印证了碳纤维复合材料在纤维方向和垂直于纤维方向的性能差异是非常大的特点。但就横梁这种规则结构而言，能够利用碳纤维复合材料的各向异性来达到最好的性能效果，即采用［90°10］的单一铺层角度进行铺层。这样能够最大限度地利用碳纤维的抗拉性能，使横梁达到最佳效果。对于纵梁而言，在采用混合角度进行铺层时，改变铺层方案所产生的影响非常小，影响基本上在3mm左右。

3）最佳方案。对比四种不同情况下的铺层方案可以发现，当横梁铺层方案固定为［90°10］时，后下部防护装置最大位移量普遍都比较小，而且纵梁采用混合铺层角度进行铺层时的方案比其采用同一角度铺层时的方案其最大位移量整体又下降了一些。所以可以得出，横梁采用［90°10］的铺层方案与纵梁采用混合角度的铺层方案的组合其最大位移量最小。在这种形式下，每种方案之间的差异也是最小的。这种对于铺层角度排列顺序的敏感度比较低的特性，在实际大规模生产过程中是一大优势。能够降低铺层时对于铺层角度的精度要求，从而可大幅降低工艺成本。从数据看，横梁［90°10］和纵梁［0°/30° /-45°/60°/90°］Sym的铺层方案组合，其最大位移量是最小的，约为32.1mm。

4）结果对比。在之前试验中所采用的使用传统钢材制作的后下部防护装置，其质量约为61 kg，其最大位移量为132.9mm，而使用碳纤维复合材料制作的后下部防护装置，质量仅为约14 kg，但最大位移量却仅为32.1 mm。可以看出，使用碳纤维复合材料制作后下部防护装置能够比采用传统钢材时减重77%，最大位移量减少76%。

3　结论

该研究表明，对于该碳纤维复合材料后下部防护装置，横梁采用［90°10］铺层方案，纵梁采用多角度混合的铺层方案的组合形式效果最佳，并且这种组合方式下纵梁对于铺层角度变化的敏感度较低。考虑到纵梁采用的是不规则结构（制造工艺相对复杂），这种低敏感度的特性有利于降低对于铺层角度的精度要求，减少成本，而且采用最佳方案的碳纤维复合材料后防护装置相对于传统钢材的后防护装置，在重量上降低了77%，在最大位移量上减少了76%。未来，碳纤维材料的成本有望大幅下降，届时其相对于传统材料的优势将更加明显。

［1］白中浩，马伟杰，曹立波，等.乘用车-货车追尾碰撞事故分析及其试验与仿真研究［J］.中国机械工程，2010，21（14）：1742-1747.

［2］全国汽车标准化技术委员会.汽车和挂车后下部防护要求：GB11567.2-2001［S］.北京：中国标准出版社，2001.

［3］FMVSS223.49CFRCh.V（10-1-08 Edition）571.223，2008.

［4］FMVSS 224.49CFR Ch.V（10-1-08Edition）571.224，2008.

［5］ECER58-2008关于1.批准后下部防护装置2.就已批准的后下部防护装置的安装方面批准车辆3.就后下部防护装置方面批准车辆的统一规定，2008.

［6］马瑞雪，周从荣，王欣.汽车后下部防护装置碰撞相容性因素分析与结构改进［J］.客车技术与研究，2015，37（5）：26-28.

［7］马讯，郝琪，周宗良.汽车后下部防护装置的碰撞仿真分析［J］.公路交通科技，2009，26（4）：133-137.

［8］白中浩，蒋彬辉，张前斌，等.乘用车—载货汽车追尾碰撞相容性结构优化设计［J］.振动与冲击，2011，30（8）：36-40.

［9］张强.碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计和工艺研究［D］.武汉：武汉理工大学，2014.

［10］李玮，段成红，吴祥.碳纤维复合材料强度的有限元模拟［J］.玻璃钢/复合材料，2011（1）：20-23.

［11］Baker D A，Rials TG.Recent Advances in Low-cost Carbon Fiber、Manufacture from Lignin.Journal of Applied Polymer Science，2013，130（2）：713-728.

［12］Robert M.Jones.Mechanics of Composite Materials.Taylor& Francis，Chapter：4.3.5，1999.

修改稿日期：2016-04-16

Discussion on Application of Carbon Fiber Reinforced Plastics to Vehicle Rear Under Run Protection Device

Xu Hailan，Zhang Kefeng
（Chongqing Vehicle Test and Research Institute，National Coach Quality Supervision and Testing Center，Chongqing 401122，China）

Based on a static load test method，the authors uses ABAQUS to simulate the rear under run protection device made by carbon fiber reinforced plastics，analyze the property of the device influenced by ply stacking sequence.This research shows that，the stacking strategy which is horizontal frame using 90°stacking，vertical frame using hybrid angles tacking is the best combination scheme.

vehicle rear under run protection device；carbon fiber reinforced plastics；finite element analysis

U461.91

B

1006-3331（2016）03-0044-04

国家质量监督检验检疫总局公益性行业科研专项（No.201310116）

徐海澜（1985-），男，博士；高级工程师；主要从事汽车被动安全、新材料应用等方面的研究工作。