基于碳纤维复合材料的新能源汽车前车门轻量化设计研究

曹思琳

摘要：为实现汽车前车门的轻量化，研究采用碳纤维复合材料作为汽车车门制造的核心原料，在满足汽车对性能和装配的要求下，通过该材料进行汽车车门的结构设计与铺层优化，最大限度地降低新能源汽车的整体质量。利用有限元分析软件建立汽车前车门有限元模型，该模型内部包含Ply+Stack方式，通过该方式可完成碳纤维复合材料铺层的定义，有利于设计者清晰地观察到碳纤维复合材料的铺层结构，实现碳纤维复合材料的可视化定义。将该材料应用于新能源汽车前车门的轻量化设计，汽车轻量化效果为54.94%，达到了碳纤维复合材料的设计目的及要求。

关键词：碳纤维复合材料;新能源;汽车前车门;轻量化

中图分类号：U463.83+4;TQ050.4+3 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0069-04

Lightweight design of front door of new energy vehicle

based on carbon fiber composite material

CAO Silin

（Shaanxi College of Communication Technology， College of Automotive Engineering， Xian 710018， China）

Abstract：In order to achieve the light weight of the front door of the car， this study used carbon fiber composite material as the core material of the car door manufacturing， under the requirement of the performance and assembling of the car， to minimize the overall weight of new energy vehicles through the material of the car door structure design and optimization. Finite element analysis software was used to establish the finite element model of the front door of the car. The model contained Ply+Stack mode， through which the definition of carbon fiber composite material paving could be completed， which was beneficial for designers to clearly observe the layer structure of carbon fiber composite material and realize the visual definition of carbon fiber composite material. The material was applied to the lightweight design of the front door of a new energy vehicle， and the lightweight effect of the vehicle was 54.94%， which met the design purpose and requirements of carbon fiber composite material.

Key words：carbon fiber composites; new energy sources; car front door; lightweight

随着我国科技的不断进步，碳纤维复合材料逐渐出现在人们的日常生活中，该材料属于一种性能十分优异的新型复合材料，被广泛应用与航天、军事等该高科技领域。近年来，汽车的发展方向向着节能化、环保化靠拢，使碳纤维复合材料成为汽车轻量化的重要举措之一。碳纤维复合材料具有较高的比强度和比模量等优势，将该材料应用于汽车轻量化设计中，有利于最大限度地减少汽车的整体质量。为此本研究主要对新能源汽车前车门轻量化设计进行研究，对于汽车制造领域的发展具有重要意义。

1碳纤维复合材料的基本属性

1.1碳纤维复合材料概述

碳纤维复合材料实际上是由两种或两种以上不同性质的材料共同组成，系经过一系列专业的处理后，形成具有较强优势性能的材料。该材料由于内部组成成分的不同，可形成多相组成的形态。碳纤维复合材料主要分为基体和增强体两部分，二者之间在性能上属于相互弥补关系，可通过协同效应对碳纤维复合材料的性能进行提升，满足汽车领域对碳纤维复合材料的各种需求[1]。

碳纤维是一种连续细丝碳材料，该材料作为复合材料的增强体，其直径范围在6～8 μm。为更好的适应多种领域对该材料的需求，本研究结合该材料基体的差异性将其划分为多种类型的复合材料。其中，应用最为广泛的材料为碳纤维复合材料;而碳纤维复合材料根据自身所用基体树脂的不同，又可划分为热塑性树脂以及热固性树脂。最终经过一系列分析，选择环氧树脂基体的碳纤维复合材料进行汽车轻量化设计[2]。

1.2碳纤维复合材料特性分析

1.2.1复合材料力学性能

通过将碳纤维复合材料与其他材料进行对比可知，该材料具有较高的比强度和比模量，可取代铝作为汽车结构制造的主要材料，这有利于最大限度地减少汽車的整体质量，其效率高达20%～40%。碳纤维复合材料与其他材料性能对比结果如表1所示[3]。

1.2.2复合材料耐疲劳性能

材料疲劳性指的是材料在使用过程中存在多种应力的干扰，在多种应力的反复作用下可出现疲劳现象。若将出现疲劳现象的材料应用于产品制造中，可造成产品的物理机械性能产生裂口、破坏等，最终丧失制品的使用价值。耐疲劳性指的是该材料可承受多种应力的反复作用，并且可保证制品的使用价值。碳纤维复合材料主要由压层构成，该压层可最大限度地提升材料的疲劳强度，其数值为90%[4]。

1.2.3复合材料耐腐蚀性能

耐腐蚀性指的是碳纤维复合材料可抵抗周围介质的腐蚀性。碳纤维复合材料的基体为环氧树脂，在环氧树脂的支持下可使碳纤维复合材料具有良好的耐酸碱性，即使在酸碱环境下，仍可保证材料的自身性能。

2基于碳纤维复合材料的新能源汽车前车门轻量化设计

2.1碳纤维复合材料前车门有限元模型构建

本研究对新能源汽车前车门进行有限元分析时，为最大限度地减少网格数量，现只对新能源汽车前车门的结构件进行分析。当前碳纤维复合材料被广泛应用于多种领域，将该材料应用于新能源汽车的车门制造，在满足汽车对性能和装配的要求下，利用结构设计与铺层优化，最大限度地降低汽车车门的整体质量，有利于提升新能源汽车的性能。为实现汽车减重的目的，通过轻量化技术将汽车前车门的内外板上集成部分零件，并对前车门内外板的结构特性进行简化。将原本的工艺孔去除，该方法可有效降低汽车的质量[5]。

为实现碳纤维复合材料的可视化定义，本研究利用有限元分析软件建立汽车前车门有限元模型，该模型内部包含Ply+Stack方式，通过该方式可完成碳纤维复合材料铺层的定义，具有较强的直观性，有利于设计者清晰地观察到碳纤维复合材料的铺层结构。碳纤维复合材料可视化定义流程：首先在Ply卡片中完成碳纤维复合材料的铺层设计，对每一层铺层的区域及厚度进行精确定义。实现碳纤维复合材料铺层的定义后，利用Stack卡片按照一定排列顺序将定义成功的Ply卡片叠加在一起，即可实现碳纤维复合材料的可视化定义，并且该方式具有较强的精准度。

2.2碳纤维复合材料汽车前车门模态分析

本研究对碳纤维复合材料前车门进行模态分析时，主要将信号域识别技术作为核心，充分结合识别信号域的差异性对前车门模态的识别方法进行划分，前车门模态的识别方法主要包括两种：频域方法、时域方法。其中频域方法对模态进行识别时的主要流程为：首先将时域信号转化为该方法可以识别的频域信号，通过对频域信号即可实现碳纤维复合材料前车门的模态识别。时域方法的车门模态识别流程为：首先确定汽车前车门结构的实测时间，将该时间相应在模态中，利用该方式即可完成识别，该方法的识别参数包括振动频率、阻尼等。为最大限度地降低模态之间存在的耦合现象，只对汽车的局部模态频率进行研究，有利于防止汽车出现共振情况，碳纤维复合材料汽车前车门模态分析结果如表2所示[6]。

2.3碳纤维复合材料汽车前车门刚度分析

由于汽车前车门的密封性与刚度之间存在一定关系，汽车前车门出现较大的变形现象，可直接造成汽车前车门的密封性被破坏。若汽车前车门的刚度足够大，可有效避免车门出现变形现象，有利于提升车门的密封性。为此，本研究对汽车前车门的下弯、扭转以及汽车内外板刚度进行分析，利用对比分析的方式实现参考值与车门刚度之间的比较，其分析结果显示，该车门各种类型的刚度均大于参考值，具有较强的刚度特性。碳纤维复合材料汽车前车门刚度分析结果如表3所示。

2.4碳纤维复合材料汽车前车门静强度分析

为验证使用碳纤维复合材料作为主要生产原料的汽车前车门的基本性能，本研究采用静强度分析的方式对汽车前车门的性能进行研究。通常情况下静态强度主要包括过开以及下垂静强度分析。研究结果显示，使用碳纤维复合材料制作的汽车前车门具有较强的可靠性以及耐久性，有利于提升汽车的安全性[7]。

2.4.1汽车前车门过开静强度

对汽车前车门的过开静强度进行分析时，其分析流程为：

（1）将汽车前车门开起至66°最大角度，从车门的铰链安全点开始，分别沿着正负X向和Y向对白车身有限元模型进行截取，将白车身的断面和炮塔处约束为SPC1-6;

（2）加载车门自重G分析，然后保持自重G;

（3）从锁扣处沿着车门外板面以垂直方向施加400 N的力，并进行位移分析;然后，再次保持自重G，卸载对锁扣处的400 N力，并进行位移分析。

2.4.2汽车前车门下垂静强度

对汽车前车门的下垂静强度进行分析，其分析流程为：

（1）从车门的铰链安全点开始，分别沿着正负X向和Y向对白车身有限元模型进行截取，对车门微开15°和全开66°的工况进行精准记录;

（2）将白车身的断面和炮塔处约束为SPC1-6，在锁扣位置对车门外板的垂向自由度進行约束;并对汽车前车门进行自重G分析。在保证该重力的情况下，完成车门垂向自由度的释放;

（3）在锁扣处对车门外板施加1 000 N的力，对下垂位移进行分析;再次保持自重G，卸载1 000 N力后对下垂位移再次进行分析。

碳纤维复合材料汽车前车门下垂静强度分析结果如表4所示[8]。

通过对表4中数据进行分析可知，使用碳纤维复合材料作为车门的核心材料，有利于提升前车门的过开以及下垂静强度，其各项指标数据均优于金属车门，可最大限度地满足新能源汽车前车门对性能的多种要求。

结合碳纤维复合材料的优势对新能源汽车前车门进行轻量化设计，可实现新能源汽车的减重目的。最终通过计算可知，汽车轻量化效果为54.94%，达到了碳纤维复合材料的设计目的及要求。

3结语

本研究为实现汽车轻量化，凭借碳纤维复合材料的多种优势，将该材料应用于新能源汽车的车门制造中，并对汽车的前车门进行主要研究。当前碳纤维复合材料被广泛应用于多种领域，在满足汽车对性能和装配的要求下，利用结构设计与铺层优化，最大限度地降低汽车车门的整体质量，有利于提升新能源汽车的性能。为实现汽车减重的目的，通过轻量化技术将汽车前车门的内外板上集成部分零件，并对前车门内外板的结构特性进行简化。将原本的工艺孔去除，该方法可有效降低汽车的的量。利用有限元分析软件建立汽车前车门有限元模型，实现碳纤维复合材料的可视化定义。将该材料应用于新能源汽车前车门的轻量化设计，可实现新能源汽车的减重目的，汽车轻量化效果为54.94%，达到了碳纤维复合材料的设计目的及要求。

【参考文献】

[1]李军，冷川.基于RBF神经网络模型的车门多目标轻量化设计[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2019（11）：127-132.

[2]徐作文，陈伟，赵春.碳纤维复合材料汽车前车门轻量化设计与分析[J].科技创新与应用，2018（36）：79-81.

[3]耿少飞，向宇，石梓玉.基于Hypermesh和灵敏度分析的某车型车门轻量化设计[J].汽车实用技术，2018（23）：234-238.

[4]陈林山，陈翔.塑料与复合材料在汽车轻量化设计中的应用[J].塑料工业，2017（7）：103-106.

[5]顾任飞，苗洁，马俊淑.组合纤维材料对皮鞋湿舒适性的影响及综合评价研究[J].中国皮革，中国皮革. 2021，50（3）：1-7.

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