碳纤维复合材料汽车B柱中部支撑板设计与分析

陈伟，朱小镇

（众泰汽车工程研究院，浙江 杭州 310018）

关键字：碳纤维复合材料；B柱中部支撑板；设计与分析

引言

当前汽车行业面临的挑战是，汽车产量与保有量的不断增加加剧了能源、环境、安全等方面的问题。因此开发制造节能、环保的汽车是各企业发展的主要方向，但就当前技术而言，采用汽车轻量化技术是实现降低油耗和减少排放的最有效措施之一。汽车轻量化作为有效的节能和环保的有效措施，在近十年来成为汽车行业大力发展的趋势。

汽车轻量化的一种重要技术路径就是应用新工艺和新技术的新型复合材料，其以高强度、低密度的碳纤维增强复合材料替代金属在轻量化上有极大的优势。碳纤维复合材料除保留原有的材料特性外，通过设计可以使各组分材料彼此关联，性能互补，获得综合性能具有单一材料难以比拟的优异性能。碳纤维复合材料具有轻质高强、可设计、抗疲劳和损伤、耐腐蚀、整体成型、结构和功能一体化、减振性好、热膨胀系数小等优点，作为节能和新能源汽车领域的重要发展方向。

1 CFRP结构设计流程

碳纤维复合材料结构设计是一项需要考虑原材料组分的性能和质量、原组分材料的比例和复合工艺、复合材料界面粘接和处理等众多性能和质量因素的设计工作。经过这几年的在汽车行业的推广，碳纤维复合材料设计使用方法主要为一般设计法和等代设计法。其中等代设计法是以原材料的结构件定位设计目标，保持原设计基本变量不变，根据需要选择替换的碳纤维复合材料，适当修改结构参数，增加或减少构件，达到目标效果。在复合材料结构方案设计过程中，等代设计通常按照等刚度原则进行产品设计，然后在通过强度验证。通常，碳纤维复合材料产品开发结构设计流程为：

图1 碳纤维结构设计流程图

2 CFRP汽车B柱中部支撑板设计与分析

汽车B柱中部支撑板的设计原则为采用碳纤维材料替代高强钢，通过结构设计和优化，在满足原钣金件力学性能和装配要求的前提下，可以实现产品大幅减重。其中，零件刚度、三点弯曲强度不低于原钣金件，侧碰侵入量和侵入速度满足安全法规要求。依据碳纤维结构设计流程，对汽车B柱中部支撑板选择碳纤维复合材料进行等代设计步骤如下：

2.1 金属B柱中部支撑板的刚度和强度计算

通过对金属B柱中部支撑板零件的各种受力状况，确定碳纤维复合材料B柱中部支撑板需要达到的零部件级的力学性能。

图2 B柱中部支撑板零部件分析工况

表1 金属B柱中部支撑板仿真分析结果

根据上述的分析工况，计算得到如下的金属B柱中部支撑板零件的力学性能；

2.2 碳纤维B柱中部支撑板数据设计和材料选择

根据碳纤维复合材料的特点取消钣金件的结构特征，降低工艺和模具加工成本，包括两边和底面凸凹部分；螺母由四边形改为带法兰边圆形螺母，螺母和B柱中部支撑板焊接改为法兰边胶粘；壁厚向内侧加厚1.5mm，总厚度为3mm；保留原定位孔和电泳孔，取消工艺孔，所有孔采用成型后加工；碳纤维B柱中部支撑板与配合的钣金件采用胶粘连接，鉴于真空袋压成型件表面平整度较模压差，设计涂胶厚度0.5mm；与周边金属配合面保持不变，铰链、锁扣和限位器配合方式保持不变。该设计方案碳纤维复合材料汽车B柱中部支撑板重量降低约55%。

图3 金属方案数模

图4 复才方案数模

B柱中部支撑板为结构安全件，对侧面碰撞保持B柱整体刚度有着重要的作用，因此碳纤维布选用 T700/12K，1m幅宽，200克重的单向编织布，树脂选用AL-8935环氧树脂，结构胶选用抗碰撞结构胶。

表2 复合材料性能表

2.3 碳纤维B柱中部支撑板铺层设计

根据碳纤维复合材料B柱中部支撑板的受力特点，对其进行包括确定铺层总层数、各铺层角度设百分比、各方向铺叠顺序等的铺层设计。为确保碳纤维复合材料件有较好的综合力学性能，铺层设计须确保 0°、90°、±45°几个方向上至少 10%的层数，同时±45°铺层最好成对出现，避免拉弯和拉剪耦合，铺层尽可能的对称、均衡，各方向铺层尽可能的分散开，避免成型脱模后翘曲和变形。B柱中部支撑板的作用主要是保护侧面碰撞中保持B柱不变形或少变形以保证乘员舱的空间，主要承受拉压载荷，根据复合材料铺层设计一般规范，0°方向铺层居多为佳，设定初始铺层方案如下表：

表3 B柱中部支撑板铺层方案表

2.4 碳纤维B柱中部支撑板的刚度和强度计算

在与金属相同的分析工况下，分析碳纤维复合材料B柱中部支撑板的性能结果如下表：

表4 碳纤维复合材料B柱中部支撑板仿真分析结果

2.5 金属与碳纤维B柱中部支撑板性能对比

计算结果对比可知：碳纤维复合材料方案结构相比金属方案结构，各阶模态频率有显著提高；轴向压缩工况下，Z向刚度值有轻微提高；在后向弯曲工况下，X向刚度有所减弱，但变化不大；侧向弯曲工况下，Y向刚度值有显著提高；3点弯工况下，最大接触力好于原金属方案，因此等代设计的碳纤维复合材料汽车B柱中部支撑板方案是可行的。

3 CFRP汽车B柱中部支撑板整车侧面碰撞验证

根据等代设计的要求，以金属B柱中部支撑板的结构件侧面碰撞结果为设计目标，保持原设计基本变量不变。根据C-NCAP(2018版)要求侧面碰撞要求，采用大臂障1400kg台车进行侧面50kn/h碰撞分析，以B柱的截面力、加速度、入侵速度、入侵量等为响应分析碳纤维复合材料汽B柱中部支撑板的综合性能。

比较图5-6可见，两种不同材料设计的B柱中部支撑板的B柱总成变形形态基本一致，保持着整个B柱刚性和强度。

图5 金属方案B柱总成变形图

图6 复才方案B柱总成变形图

表5 整车侧面碰撞分析结果表

由上表可知，在整车侧面碰撞过程中与金属方案相比，复合材料方案B柱最大截面力有所提高，门槛最大截面力轻微降低；柱内板最大侵入速度与最大侵入量都有所降低；前门内板最大侵入速度与最大侵入量都有所降低。

4 总结

本文对碳纤维复合材料及结构设计流程进行了简单论述，然后采用等刚度设计方法对碳纤维复合材料B柱中部支撑板的B柱总成进行了零部件级的模态、刚度、强度分析并与原金属方案性能对比，并在整车侧面碰撞上进行了性能验证。在满足原金属方案的性能原则下，通过多轮的优化设计，碳纤维复合材料B柱中部支撑板零件减重55%，达到了最佳的轻量化效果。