某新能源汽车复合材料前车门轻量化设计

朱增余　江晶晶　范冬冬　赵春　侯亚卓

摘 要：本文以汽车前门作为研究对象，以碳纤维结构设计及铺层形式进行研究。经过仿真分析表明，碳纤维前车门的模态、刚度、强度都得到了明显的提升，在满足性能要求的基础上，重量得到了减轻，实现了轻量化的目的。

关键词：碳纤维复合材料 前车门 轻量化 模态识别

1 引言

近年来，使用复合材料已经成为汽车轻量化的重要措施，也更加贴合一直倡导的汽车环保化，节能化发展趋势，是未来汽车发展的前进方向。碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属、陶瓷为基体材料，经过复合成型制成的复合结构材料，与传统的金属材料相比，其具有密度小、比强度高、耐腐蚀、抗疲劳、便于设计、易于大面积整体成型等优点。

应用碳纤维复合材料是目前解决燃油车和新能源汽车减重的最好途径之一，可使汽车减重30%～60%。碳纤维复合材料已在高端车，超跑，赛车，改装车，限量版车型以及少量的电动车上大量应用，主要应用于汽车车身，制动器衬片，燃料贮罐，座椅加热垫，传动轴，轮毂等部位。

2 复合材料力学性能

复合材料具有非均匀的力学性能且强度和刚度性能表现为各向异性与随机性;复合材料相比于传统金属材料而言其单位质量的强度和模量高，承载能力好，在满足相同性能下，具有较大的减重空间，同时也可减少零件数量。因此，选择使用复合材料制造车门，是汽车轻量化的重要手段之一。

3 复合材料汽车前车门力学性能分析

在有限元分析中，为了减少网格数量，只选择其中的结构件来做分析。

3.1 复合材料前车门有限元模型建立

复合材料在车门上已经开始使用，通过结构设计和铺层优化在满足性能和装配的前提下可实现车门大幅减重。技术方案为内外板集成部分零件，简化结构特征，取消工艺孔，实现减重目的。

在有限元前处理软件中，通过复合材料建模模块支持的Ply+Stack方式可以定义出非常直观的复合材料铺层。在Ply卡片中可以精确定义每一层铺层的铺层区域以及每一铺层的厚度，每一层的铺层属性定义完成之后，用Stack卡片将定义完成的Ply卡片按照一定排列顺序叠加在一起，通过这两种卡片就可以实现复合材料的精确的可视化定义。其有限元模型如图1所示。

3.2 复合材料前车门模态分析

按照识别信号域的不同可将结构模态的识别方法划为频域方法、时域方法和时频域方法。其中，频域类方法是将时域信号转换为频域上的信号，进行模态识别的方法;时域方法是直接根据结构的实测时间响应在模态中识别，主要识别参数包括振动频率、阻尼和振型等。本次主要研究车门局部模态频率，避免发生模态耦合，引起共振。 模态分析结果如表1至表4所示：

3.3 复合材料前车门刚度分析

汽车前车门应该有足够的刚度，避免出现大的变形而影响车门的密封性，其中车门的刚度分析如表5所示。

3.4 复合材料前车门强度分析

通过前车门的静强度分析可以验证结构的耐久性与可靠程度，此次通过车门过载全开分析来校核车门强度。

工况一：

车门开启到最大角度，结构带车门铰链，限位器。从车身上车门的铰链安装点出发，分别沿正负X向和Y向截取约400mm的白车身有限元模型，在白车身断面约束SPC123。首先，在局部坐标系下的锁扣位置约束车门转动，对车门施加1G重力，接着保持重力，释放车门转动，在锁芯处沿车门开启方向施加载荷225N;再次保持重力，卸载锁芯处的载荷，进行分析。

工况二：

车门开启到最大角度，结构带车门铰链，限位器和车门有限元模型。从车身上车门的铰链安装点出发，分别沿正负X向和Y向截取约400mm的车身有限元模型，在白车身断面约束SPC123。首先，在局部坐标系下的锁扣位置约束车门转动，对车门施加1G重力，接着保持重力，释放车门转动，在锁芯处沿车门开启方向施加载荷0.48*L（其中L为锁芯到上下铰链轴连线的垂直距离）;再次保持重力，卸载锁芯处的载荷，进行分析。

4 复合材料前车门轻量化与结果对比

通过模态分析结果可知，复合材料的前车门响应分析识别出前车门一阶扭转模态为57.56Hz，一阶弯曲模态为55.76Hz，均滿足NVH的目标要求。通过之前计算分别得到了复合材料的静态刚度性能与自由模态下个模态振动频率。整个复合材料车门重量为11.29kg，钢铁材料车门为15.451kg，在满足实际要求的基础上，减重4.161kg。

5 结语

本文对碳纤维复合材料力学性能行进行了简要论述，并对其模态、刚度、静强度方面进行性能分析，与钢铁材料车门性能参数对比，得出复合材料车门的性能优于钢铁材料车门，对比钢铁材料车门和复合材料轻量化车门的质量，车门减轻了4.161kg 的质量，轻量化率达到了 26.9%，达到减重的轻量化效果，实现了碳纤维复合材料减重设计的目的要求。

项目来源：该项目为广东省重点领域研发计划项目2019B090911003;肇庆市对接国家和省重大科研项目专项2018K004。

参考文献：

[1]李永湘，许天辉，王光艳.汽车车门轻量化设计研究现状及其技术措施[J].山东工业技术， 2019，No.280，33-34.

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