汽车复合材料纵梁吸能特性研究＊

朱艳荣 崔岸 叶辉 蒲永锋

（吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室，长春 130022）

1 前言

近年来，国内外学者对复合材料前纵梁进行了大量的研究。Oliver Tomlin[3]等验证了热塑性复合材料应用于低碳汽车的可行性，结果表明有限元软件LS-Dyna中的58号材料模型一致性较高。Paolo Feraboli[4]等研究了LS-Dyna中54号材料模型正弦波纹板轴向碰撞的模拟，通过改变单元网格大小、退化刚度值等参数设置进行数值仿真和灵敏度分析。Simonetta Boria[5]对汽车复合材料碰撞吸能装置进行数值模拟，设计了不同长度和厚度的圆形、方形管，为能量衰减装置提供了设计基础。龚俊杰[6]等对复合材料圆柱壳准静态轴向压缩和低速碰撞过程进行了数值模拟，获得了反映吸能能力的重要参数，说明采用参数等效的方法可以得到复合材料结构耐撞性设计中需要的吸能参数。

本文的研究基于Hashin失效准则，使用仿真软件Abaqus进行汽车前纵梁模型正碰仿真分析，对比3种材料的吸能特性，并对复合材料的铺层进行优化设计。

2 汽车前纵梁模型与仿真方法验证

根据经验，传统汽车钢制材料前纵梁大多数采用U形结构，而复合材料前纵梁由于其特殊的加工性，较多设计成简单的管状或者桁架结构，选用文献[3]中一种“帽形”前纵梁结构进行试验验证和后续仿真与优化。如图1a所示，纵梁尺寸为375 mm×40 mm×70 mm，翻边尺寸为10 mm，试件为玻璃纤维增强聚酰胺帽型结构梁，采用的基体材料为聚酰胺，增强纤维采用玻璃纤维。长度L=375 m，铺层厚度3.52 mm，共16层，刚性墙质量69 kg，刚性墙碰撞前纵梁速度为15.2 m/s，将文献中模型上方被夹持固定改为仿真中上板与模型粘接连接。虽然对单个吸能原件进行试验分析与整车试验有所不同，但其趋势相似，具有操作意义。按照C-NCAP要求，进行刚性固定壁障仿真模拟，在汽车发生正面碰撞的情况下，研究前纵梁变形与吸能，把梁一端固定于一块固定刚性板，另一端用同样性质的刚性板以15.2 m/s的速度碰撞，为了保证压溃的稳定性，在帽形梁前端开1个正方形槽孔，如图1b所示。

图1 帽形前纵梁有限元模型

复合材料帽型梁的数值模拟采用显式动力学有限元分析软件Abaqus/Explicit。网格划分采用了3种单元类型：6 118个S4R单元，3个线性四边形单元R3D4，44个线性三角形单元S3R。刚性墙采用离散刚体，单元总数接近6 150，计算总时间10 ms。帽形梁采用接触对算法和通用算法中的自接触法，移动刚性板与前纵梁采用主从接触，固定刚性板与前纵梁采用TIED固定连接，约束其所有自由度，帽型梁本身存在自接触。

通过Abaqus/Explicit仿真可得出力-时间曲线，仿真与试验结果对比如图2所示，同时计算出试验与仿真的载荷数据量化对比结果如表1所示。

图2 力-时间曲线

表1 试验与仿真载荷结果对比

由图2和表1可见，试验与计算机仿真结果差距在合理范围内，波形也大致相同，而仿真中的第2个峰值载荷较高，是因为开始时冲击不稳定，抵抗力较强，而试验中有夹持装置，能稳定前进。从第3 ms开始，仿真值一直低于试验值，是由于本文未考虑夹持装置的重力，故使得试验值略高。曲线虽具有差异，但都在合理范围内，说明该有限元仿真方法是有效的，可利用该方法进行复合材料碰撞性能的对比分析和优化设计。

由于玻璃纤维复合材料为脆性材料[7]，因此破坏方式不同于具有塑性的钢制材料，如图3所示，从接触部分开始出现顺序压溃，并伴随材料撕裂与飞溅的现象，同时存在少量弯曲，图3b与图3a不是同一时刻的结果，其中的失效单元已被删除，不显示在图中。

漂流木在开阔的海上漂浮，开始了它们漫长的旅程，时间长短取决于不同的树种，最长可历时17个月。在这段漂泊海上的时间里，这些无根的死木变成了漂浮的珊瑚礁，为多种多样的海洋生物提供了漂浮水面上的栖息地，其中包括将它们的卵产在浮木上的无翅水黾，水黾是唯一一种生活在开阔海域里的昆虫。

图3 玻璃纤维复合材料纵梁压溃结果

3 吸能特性对比

本文分别选取3种材料进行正面碰撞仿真吸能特性的对比：钢制材料、玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料。遵循单一变量原则，控制3个模型除材料外，其它参数均相同。3种材料性能参数如表2、表3所示。

表2 钢材部分性能参数

表3 碳纤维、玻璃纤维复合材料部分性能参数

图4和图5所示分别为碳纤维复合材料和钢制材料压溃效果，玻璃纤维复合材料压溃效果如图3所示。

图4 碳纤维复合材料压溃结果

图5 钢制材料压溃结果

由图3可知，由于钢制材料模型结构长厚比过大，出现了固定端首先发生塑性层叠变形的现象，而玻璃纤维和碳纤维两种复合材料压溃模式相似，都出现了材料撕裂伴随单元飞溅的现象，证明了材料模型的统一性。

同时由于材料模型的差异，吸能量以及产生载荷的大小也有所不同。图6所示为三者内能变化对比。

由图6可以看出，开始变形时，三者吸能量相差不大，随着压溃的进行，传统钢吸能量随时间增加较快，并发生塑性变形。玻璃纤维复合材料吸能量随时间变化最慢，将吸能效果进行量化处理，如表4所示。

图6 3种材料内能-时间曲线

表4 3种材料吸能结果

吸能特性的优劣，需要综合多方面来考虑。由表2、表3可知碳纤维复合材料具有较高的比吸能，大约是其它材料的5倍。为实现汽车的轻量化，碳纤维复合材料更具有应用价值，应用于碰撞吸能装置效率更高。

图7所示为3种材料的力-时间曲线，三者出现峰值的时间基本一致，但峰值相差甚大，从大到小依次为钢材、碳纤维、玻璃纤维，且钢材曲线一直位于复合材料上方，直到第5 ms时由于钢板速度降为0而突然下降，说明前者平均载荷较高，力的大小表明纵梁吸能能力的大小，直接影响人体损伤程度。且在第1个峰值出现后，曲线首先降低到一个值，这是因为钢板开始稳定接触前纵梁模型，之后出现小幅波动，变形模式趋于稳定。

图7 力-时间曲线

4 铺层优化与斜碰仿真分析

4.1 铺层优化

在前人对复合材料铺层优化研究的基础上[8]，得出较常用的经典层合板铺层顺序为：[0/45/-45/90]ns、[45/-45/0/90]ns、[45/-45/90/0]ns、[0/90/45/-45]ns。本文针对两种复合材料进行铺层优化，前文使用的铺层角度为0°/90°，16层，考虑到简单角度会使复合材料在某个方向存在薄弱环节，因此一般由0°、90°、45°、-45°4种铺层角度构成。本文选择了经典铺层顺序进行优化，同样为16 层，即[0/45/-45/90]4s、[45/-45/0/90]4s、[45/-45/90/0]4s、[0/90/45/-45]4s，并分别定义为 ply1、ply2、ply3、ply4，以便描述。保持单一变量原则，通过计算机仿真，分别得到两种复合材料吸能效果与载荷变化，并与未改变铺层时的模型进行了对比，如图8、图9所示。

由图8、图9可以看出，铺层角度的变化对于复合材料吸能量影响较明显，而对载荷影响不明显。4种典型铺层方式吸能量均较原有方式高，载荷峰值都较原有方式有所下降，也就是说冲击力有所改善，即吸能能力提高。通过计算，玻璃纤维复合材料最大吸能量由1.553 kJ变为1.987 kJ，提高了28%，碳纤维复合材料由4.787 kJ变为5.8 kJ，有21.2%的增幅。

由于铺层角度由原来的2种（0°、90°）变为4种（0°、90°、45°、-45°），使得梁结构在各个方向上都不太过薄弱，因此可以增加吸能效率，同时也降低了载荷，改善冲击，减少对人员的伤害。由此，针对该汽车前纵梁模型，Ply3与ply4相对Ply1与Ply2两种铺层方案吸能量有所增加，但载荷相差并不明显，相对具有较优的吸能特性。

图8 玻璃纤维复合材料4种铺层与原铺层方式对比

图9 碳纤维复合材料4种铺层与原铺层方式对比

4.2 斜碰仿真分析

由于复合材料吸能特性不稳定，本文将优化后的铺层角度分别应用于碳纤维和玻璃纤维复合材料中，并进行30°和15°斜面碰撞仿真分析，验证复合材料帽型梁在斜碰条件下的吸能特性。材料选择仍为钢材、碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料，移动墙的运动方向为其法线方向。考虑到长杆的失稳性，将帽形梁长度改为100 mm，其它参数与前文相同，30°斜碰模型如图10所示。

图10 30°斜碰模型

利用前文提出的建模方法进行仿真，得出变形应力云图，15°斜碰模型结果如图11所示。

图11 3种材料模型变形应力云图（15°斜碰）

由图11可知：钢材模型出现了塑性变形，前纵梁前端出现稳定变形；玻璃纤维较碳纤维复合材料纵梁变形与失效严重，相同条件下几乎被完全压溃，这是因为碳纤维复合材料具有更高的弹性模量与损伤值。

根据计算结果，整理得出2种角度斜碰后的内能时间曲线与载荷时间曲线，如图12与图13所示。

将数据进行量化处理，分别得出在2种斜碰角度下3种材料吸能量化结果，如表5和表6所示。

图12 内能时间曲线与载荷时间曲线（15°斜碰）

图13 内能时间曲线与载荷时间曲线（30°斜碰）

表5 3种材料吸能结果（15°斜碰）

表6 3种材料吸能结果（30°斜碰）

由图12、图13和表5、表6可知，该结果与正碰所得结果相似，钢材模型吸能量与载荷均为最高，玻璃纤维复合材料模型吸能量与载荷最低，但载荷时间曲线变化趋势稍有变化，在载荷峰值出现之前，斜碰时出现了较多的小波峰，而正碰时较平滑，这是因为斜碰开始时移动墙只与帽形梁上端部分接触，完全接触后，才达到峰值，因此斜碰时峰值出现时间较晚。从吸能率和比吸能值来看，碳纤维复合材料帽形梁的吸能特性最优，说明带角度斜碰的吸能特性与正碰时基本一致。

5 结束语

本文在大量纤维增强复合材料吸能特性研究与金属梁吸能设计的基础上，对复合材料帽型梁吸能特性展开试验验证与仿真研究。以不同材料和铺层模型的碰撞性能为出发点，以提高汽车碰撞吸能性能与轻量化为目的，分析了前纵梁轴向冲击仿真结果，引入比吸能等指标对仿真吸能特性进行量化对比分析，得到以下结论：

a.通过仿真计算发现，碳纤维复合材料具有较高的比吸能值，表明其吸能效果最强，轻量化效果好，可用于车身轻量化并同时保证碰撞安全性；

b.碳纤维复合材料由于本身具有的高模量、高强度，使得改变铺层后的吸能量相比玻璃纤维涨幅略小。当碳纤维复合材料应用[45/-45/90/0]4s的铺层方式，玻璃纤维复合材料应用[0/90/45/-45]4s的铺层方式时，吸能特性明显改善，降低了载荷峰值。

c.将正碰优化的铺层用于15°与30°斜碰模型中进行吸能特性对比分析，结果与正碰效果相似，说明复合材料帽形梁在斜碰工况中也具有较好的吸能特性。

本文中选用的材料均为单一材料，而碳纤维的价格昂贵，后续设计中可添加部分其他材料混合使用。

参考文献

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[5]Boria S,Belingardi G.Numerical investigation of energy absorbers in composite materials for automotive applications[J].International Journal of Crashworthiness,2012,17(4):345-356.

[6]龚俊杰,王鑫伟.复合材料圆柱壳轴向压缩和碰撞的数值研究[J].扬州大学学报（自然科学版）,2005（4）：36-39.

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[8]修英姝,崔德刚.复合材料层合板稳定性的铺层优化设计[J].工程力学,2005（6）：212-216.