基于CAE的CFRP方程式赛车车身碰撞性能研究

田聪聪　李富柱　李伟　郭玉琴

为了研究碳纤维复合材料（CFRP）汽车构件的碰撞性能，论文以方程式赛车车身为研究对象，基于CATIA和Abaqus软件，完成了CFRP方程式赛车车身的CAD三维建模和CAE碰撞仿真分析，研究了五种不同铺层方案下，CFRP方程式赛车车身在相同碰撞条件下的变形及破坏行为、应力分布情况，着重分析了不同铺层方式对最大主应力值、CFRP构件破坏模式及位置、抗冲击承载能力和碰撞吸能性的影响，确定了综合碰撞性能较好的铺层设计方案，对提高车辆的安全性和经济性、缩短生产周期具有重要意义。

一、前言

碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforcement Polymers，CFRP）因为具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、震动衰减性高、导电、传热和热膨胀系数某设计与工艺部门的PDM系统间进行接口开发，实现设计数据在不同部门间的数据交换与管理。

小等一系列优异性能，而成为汽车轻量化材料的首选。以现代F1赛车为例，其底盘、变速箱、悬架和刹车等都可以采用碳纤维复合材料制造，分别占整车体积的85%和整车质量的30%。几乎全部采用CFRP制成的SLR迈凯伦超级跑

当产品设计数据在设计部门受控后，根据双方PDM系统接口定义要求，由设计部门的PDM系统自动将发送的数据以数据包的格式导出，数据包包括XML、物理文件等，其中XML为包含设计数据属性、数量、BOM等信息，如图5所示（限于篇幅，只截取局部文档）。工艺部门在接收到数据包后，以自动或手工的方式将数据包解析后导入工艺部门的PDM系统，手工导入界面如图6所示，数据导入PDM系统后如图7所示。

五、结语

本文研究的面向异构PDM平台的数据交换技术，解决了型号研制过程中设计数据在不同PDM间的数据交换问题，实现多部门、跨地域的产品协同研制，实现航天产品设计制造的数字化、网络化和协同化，为航天产品由传统研制方式向异地数字化协同设计制造模式的转变提供技术支持。车，其碰撞性能性比也钢材或铝材高出4～5倍。CFRP汽车构件的开发流程涉及到的工作量巨大、生产周期长且成本高，难以适应对全球化市场快速响应的要求，因而对CAD/CAE/CAM提出了迫切需求。CATIA作为汽车设计的核心工具，在3D实体造型、曲面造型和线框造型等方面更具有独特的优势，另一方面Abaqus作为通用的CAE仿真分析软件，具有专门用于复合材料设计的Plyup模块，可方便地对复合材料进行铺层设计，包括材料参数、铺设角度、厚度设定，分析CFRP产品的结构性能、预测其强度、刚度、稳定性、碰撞吸能性及疲劳寿命等，可为新产品研发提供指导，为解决实际工程问题提供依据，是实现数字化设计制造的关键技术之一。本文以方程式赛车车身为研究对象，采用CATIA V5完成其三维模型的建立，用Abaqus对不同铺层设计的车身构件进行碰撞性能仿真分析，根据仿真分析结果确定了合理的铺层方式，为有效提高CFRP汽车构件的安全性提供重要的方法指导。

二、车身CAD模型的建立

将已有车架模型导入CATIA软件中，如图1（a）所示，然后根据车架构造车身主要曲面，再经曲面拉伸、填充、桥接和接合等操作完成赛车车身左半边的三维建模，最后经过镜像成完整车身建模，如图1（b）所示。

三、方程式赛车车身碰撞仿真模型建立

先利用Abaqus软件自带的建模模块建立墙体（长方体）模型，再将第2节中建立的车身模型导入ABAQUS软件并完成装配，如图2（a）所示；在属性界面中分别定义车身和墙体的材料参数，如表1所示；接着在属性下的编辑复合层中设计如表2所示的五种铺层；分别对采用六面体网格和壳体网格对墙体和车身部件划分网格如图2（b）所示；选择动力显式法建立分析步，设定墙体为刚性约束，创建相互作用属性，定义车身在前环位置和车鼻中部位置为固定约束，碰撞速度设为V₁=-350m/s。

四、仿真结果分析

第3节中所建立的仿真模型经提交运算后，所得仿真结果应力云图见图3所示，最大主应力及应变能曲线分别见图4（a）、4（b）所示。

观察图3可发现：（1）五种铺层方式在所设定条件是碰撞后，最大应力皆发生在车鼻前端两侧圆角处（如图3各红色圈中所示），且均超过了CFRP材料的断裂强度3400MPa。（2）在相同的碰撞条件下，第1种铺层方案（0°/0°/0°）最大主应力达到12135.6MPa，破坏最严重；第Ⅱ（-45°/0°/45°）、Ⅲ（45°/0°/45°）种铺层方案下最大主应力分别达到8164.08MPa和8164.1MPa，破坏程度次之；

第Ⅳ（90°/0°/90°）、V（90°/90°/90°）种铺层方案下最大主应力分别达到5360.14MPa和5360.14MPa，破坏程度最轻。（3）铺层间夹角相同，但铺层方向不同时，最大应力值变化不大，分别为8164.08MPa和8164.1MPa，但最大应力值发生的位置显著不同，如图3（b）、3（c）所示。

从4（a）、（b）可以看出：（1）CFRP方程式赛车车身在碰撞过程呈现出典型的线弹性变形及破坏行为；（2）由图4（a）可知碰撞结束时的最大主应力值由大到小排列為：方案Ⅰ（0°/0°/0°）>方案Ⅱ（-45°/0°/45°）/方案Ⅲ（45。/0°/45°）>方案Ⅳ（90°/0°/90°）/V（90°/90°/90°），这也是上述几种铺层方案下CFRP方程式赛车车身抗冲击承载能力由劣到好的顺序；（3）由图4（b）可知碰撞结束时的应变能由小到大排列为V（90°/90°/90°）<方案Ⅳ（90°/0°/90°）<方案Ⅱ（-45°/0°/45。）<方案Ⅲ（45°/0°/45°）<方案Ⅰ（0°/0°/0°），这反映了几种不同铺层方案下CFRP方程式赛车车身碰撞吸能性由劣到好的顺序。综上所述，综合考虑抗冲击承载能力和碰撞吸能性两方面的要求，方案Ⅱ（45°/0°/45°）和方案Ⅲ（45°/0°/45°）能获得比较好的综合碰撞性。

五、结语

基于CATIA和Abaqus软件，完成了CFRP方程式赛车车身的CAD三维建模和CAE碰撞仿真分析，研究了五种不同铺层方案下，CFRP方程式赛车车身在相同碰撞条件下的变形及破坏行为、应力分布情况，得出如下结论：（1）碰撞结束后最大主应力发生在车鼻前端两侧圆角处；（2）铺层方式对最大主应力值、破坏模式及位置有显著影响；（3）（-45°/0°/45°）、（45°/0°/45°）两种铺层方式下，CFRP方程式赛车车身能获得比较好的综合碰撞性；（4）铺层方式对CFRP方程式赛车车身的碰撞性能有显著影响，且某一种铺层方案很难同时获得优异的抗冲击承载能力和碰撞吸能性。因此借助CAD/CAE仿真分析手段，对CFRP方程式赛车车身进行铺层方案优选和结构设计，对提高车辆的安全性、经济性和轻量化水平，缩短生产周期，降低制造成本具有重要的现实意义。