碳纤维复合材料在纯电动轿车上的应用

张宝杰

河南速达电动汽车科技有限公司产品工程部 河南省三门峡市 472000

1 引言

进入21世纪以来，能源危机日趋严重，世界各国的排放法规日益严格，如何在保证安全性和动力性的前提下降低油耗和减少排放是目前汽车工业迫切需要解决的问题。采用各种轻质材料取代金属等传统材料，使汽车轻量化是实现节能减排的重要途径。碳纤维复合材料凭借轻质、高强度、高刚度、抗振性能好、抗疲劳、耐腐蚀等众多优点，越来越受到汽车工业的重视，在汽车中的应用也越来越多。碳纤维及其复合材料是支撑国家高科技产业发展的关键材料，经过40多年的积累与发展，我国碳纤维及其复合材料研发拥有众多突破性进展，但在汽车领域的应用还远落后于航空航天和其他工业领域。因此有必要分析碳纤维复合材料在我国汽车工业应用中存在的问题，提出合理的发展对策，以适应汽车工业对材料发展的迫切需求。

纯电动轿车轻量化的意义：不仅可以节能减排，而且在同样的电池重量下，轻量化可以增加电动车的续驶里程；如保持同样的续驶里程，则可以减少电池的重量，这不仅可以减重，还可以大幅度的降低电动车的价格，从而更有利于电动车的推广应用。

2 碳纤维复合材料的性能特点和使用优势

CFRP泛指由碳纤维和聚合物树脂复合而成的碳纤维复合材料，环氧树脂CFRP其比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。CFRP抗拉强度一般都在3500Mpa以上，是钢的7到9倍，抗拉弹性模量为230Gp到430Gpa亦高于钢，但它的比重却不到钢的1/4，仅为1.8；CFRP的比强度达到2000Mpa以上，而Q235钢的比强度仅为59Mpa左右，其比模量也比钢高。CFRP不仅轻而强，轻而钢而且具有耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、结构尺寸稳定性好以及设计性好、可大面积整体成型等一系列特点，在汽车轻量化中得到不断增长的应用。CFRP还具有非常卓越的能量吸收性能，从而进一步保证了CFRP车辆的安全。CFRP部件比同类钢质零部件减重40%以上，却能够提供更高的强度。

表1

3 CFRP前舱盖总成应用实例

4 CFRP前舱盖刚度分析

4.1 分析目的

分析前舱盖侧向刚度，保证前舱盖有足够的侧向刚度。

4.2 分析软件

前处理：h y p e r m e s h；求解器：nastran；后处理：hyperview

4.3 模型描述

（1）用10mm对几何进行划分，网格要保证平顺性和均匀性，最小尺寸要保证大于4mm，同时满足其他网格质量要求；（2）前舱盖的焊点用acm类型单元模拟；（3） 前舱盖的粘胶用adhesive类型单元模拟；（4）螺栓连接用RBE2单元模拟。

4.4 工况设置

（1）边界条件：左右两个下铰链安装孔约束123456自由度；加载点约束3自由度。（2）载荷：Bumper点右侧抓取RBE3，区域为15*15mm，在RBE3中心处Y向加载180N。（3）静态分析方法。

4.5 分析结果及评价标准

分析输出位移云图，关注加载点的Y向位移。加载点Y向位移需要满足位移小于4mm的评判标准 。

5 CFRP前舱盖扭转刚度分析

5.1 分析目的

分析前舱盖扭转刚度，保证前舱盖有足够的扭转刚度。

5.2 分析软件与模型描述与4.2及4.3相同

5.3 工况设置

（1）边界条件：左右两个下铰链安装孔约束123456自由度；左边bumper点约束3自由度。（2）载荷：右边Bumper对应外板50*50mm处均布Z向加载100N。（3）静态分析方法。

5.4 分析结果及评价标准

分析输出位移云图，关注加载点的Z向位移。通过计算得出前舱盖扭转刚度，扭转刚度K=F*L/arctg(Z/L)，需要满足扭转刚度大于80Nm/deg的评判标准。

6 CFRP前舱盖模态分析

6.1 分析目的

前舱盖是整车模型的重要组成部分，考察前舱盖一阶弯曲及一阶扭转模态。

6.2 分析软件与模型描述与4.2及4.3相同

6.3 工况设置

（1）边界条件：自由状态；（2）Nastran求解序列SOL103；（3）求解前6阶模态。（4）分析结果及评价标准：前舱盖模态分析作为车身NVH的分析的一部分，在设计最初确定目标值，通过将分析结果与目标值比较，考察前舱盖一阶弯曲模态及一阶扭转模态是否达到目标值要求。

7 分析结果

7.1 材料信息

材料特性表

7.2 前舱盖刚度分析结果

位移（mm） 2.67目标值（mm） 4判定 合格

7.3 前舱盖扭转刚度分析结果

位移（mm） 3.10扭转刚度（Nm/deg） 223目标值（Nm/deg） 80判定 合格

7.4 前舱盖模态分析结果

模态 计算值 目标值 判定一阶扭转（Hz） 35.21 25 合格一阶弯曲（Hz） 41.36 34 合格

8 前舱盖扭转刚度测试

8.1 环境

试验在常温、常压状态下进行。

8.2 试验设备

利用丝杠加载，由位移传感器控制位移（分辨率0.01mm）、力传感器控制加载值（分辨率1N），利用轻量化材料应用测试系统（AMM-200-I）采集数据，压头半径R30毫米。

8.3 加载条件

（1）约束：铰链处刚性固定；辅助支撑分别选前舱盖减震垫安装点A、B，只约束Z向位移。（2）加载点：分别选择点B、A加载。（3）加载力：从0加载至200N，形成扭转力。

8.4 扭转刚度测试结果

以前舱盖减震垫位置衡量，碳纤维发动机盖扭转刚度为206.35N·m/°。

9 结语

由分析结果可知：前舱盖刚度满足要求；前舱盖扭转刚度满足要求；前舱盖一阶弯曲模态满足要求；前舱盖一阶扭转模态满足要求。扭转刚度测试结果，满足设计要求。

扭转刚度测试结果

扭转装夹

随着碳纤维价格的不断降低和应用技术的发展成熟，碳纤维复合材料将会逐渐取代金属材料，成为车用材料的主力军。