碳纤维复合材料引擎盖的轻量化设计
发布时间：2023-09-05 浏览人数：人
随着汽车工业的快速发展，汽车年产量及保有量的持续增加，导致全球性的能源危机及环境污染问题持续加剧，减少汽车全生命周期碳排放已成为全球汽车工业需要解决的关键问题。世界铝业协会指出，汽车质量每减少10%，可降低6%~8%的油耗。同时在汽车工业中，汽车轻量化有助于传统发动机汽车降低油耗或电动汽车增加里程数，这也是促进汽车节能减排的重要手段之一。在各种应用于结构轻量化设计的轻质高强的新型材料当中，碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高的明显优势，同时其具有良好的耐热性和抗酸碱腐蚀性以及较低的热膨胀系数，良好的比吸能等优势，是汽车外饰件及内饰件轻量化设计的首要选择。汽车引擎盖是汽车车身的重要组成部分，具有保护发动机、隔离噪声等功能。碳纤维复合材料用于汽车引擎盖的设计中，可以实现汽车引擎盖轻量化，并有效降低车身质量。随着国内外碳纤维复合材料制造技术和工艺技术、数值仿真技术的快速发展，针对汽车碳纤维复合材料引擎盖的结构及工艺设计优化吸引了大量研究者投身其中。汽车碳纤维复合材料引擎盖的铺层结构设计及对于单层级工程常数对引擎盖整体刚度存在明显影响。段成金等设计了碳纤维与玻璃纤维铺层的层间混杂三明治夹心结构(3K碳纤维平纹编织布作为表层，玻璃纤维布作为内部铺层)用于汽车引擎盖构件，该汽车引擎盖构件的质量仅为2.75kg，和原金属汽车引擎盖相比质量减少4kg。研究结果表明，层间混杂三明治夹心结构铺层设计实现了成本可控且结构强度满足碳纤维复合材料引擎盖铺层结构设计的需求。李浩利用ABAQUS软件对碳纤维复合材料引擎盖进行了计算机辅助工程(CAE)设计，通过静态模型分析发现碳纤维复合材料单层级四个工程常数(E1、E2、v12、G12)与碳纤维复合材料引擎盖刚度存在一定相关性，其影响效果排序为：G12＞E2＞E1＞v12。本文以汽车碳纤维复合材料引擎盖为研究对象，采用碳纤维复合材料替换金属材料，以层合板理论为力学数值模拟CAE设计基础，利用ABAQUS软件对单层级试样准静态拉伸试验和典型U形梁结构准静态三点弯试验进行仿真，然后进行了台架模态及抗凹刚度工况测试。采用概念设计、材料性能试验和工艺设计多阶段联合优化设计的方法，最终在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下，实现碳纤维复合材料引擎盖轻量化设计。
试样采用日本东丽公司生产的T700SC12K碳纤维，表层为12K斜纹编织结构，内层为[0/90]轴向编织布；采用德国NiroCell公司生产的TL2009AC /TL2009BC环氧树脂体系作为基体，采用真空辅助树脂灌注工艺制备单层级试样及元件。汽车碳纤维复合材料引擎盖单层级试样准静态拉伸试验通过Instron5982万能材料试验机进行，分别测量单向材料0°拉伸并与CAE仿真对标，验证单层级试样的仿真偏差。汽车碳纤维复合材料引擎盖典型U形梁结构准静态三点弯试验通过Instron5982万能材料试验机进行，分别测量[0°/90°]交替铺层拉伸性能并与CAE仿真对标，验证典型结构试样的仿真偏差。汽车碳纤维复合材料引擎盖部件级试验通过台架试验进行，分别针对元件进行台架模态试验，台架外板抗凹试验，验证并考核汽车碳纤维复合材料引擎盖的安全。其中台架模态试验标定方法参见GB/T11349.2—2018《机械导纳的试验确定用激振器作单点激励测量》中6.4。本次试验目的是测试其自由模态，即试验对象在任一坐标上都不与地面相连，可以放在支架上或利用柔索将试件吊起，或在实际支承条件下进行试验。首先安装试件以及激振器和传感器，然后连接激振器与激励信号源通道，再连接测量通道与数据采集处理通道，进行激励系统和测量系统调试。其次是测量和数据采集处理系统的现场系统标定。标定时，测量系统各仪器单元的参数应与试验时参数设置一致。通过预试验检查系统运行是否正常，激励点和测量点位置是否合适。最后采集数据，对参数进行辨识，计算模态频率。图1为常规金属引擎盖内外板示意图。基于前期CAE设计结果、材料属性和减重要求，确定碳纤维复合材料引擎盖设计选择如下：去除内板加强板，保留车身铰链，铰链加强板，锁扣加强板区域原金属模型和材料。碳纤维复合材料引擎盖整体设计如图2所示。图3及图4为碳纤维复合材料引擎盖内外板示意图。碳纤维复合材料引擎盖外板采用6层单向带加最外表面一层斜纹织物的铺层方案，总厚度1.62mm；碳纤维复合材料引擎盖内板采用4层单向带，总厚度0.88mm。铺层信息如表3所示。根据复合材料的结构特点在碳纤维复合材料引擎盖内外板添加折弯导溃区以及搭接区，其中导溃区为2层铺层(4层减半)，搭接区为8层铺层(4层对称)，碳纤维复合材料引擎盖内外板示意图铺层次序以及各层角度如表3所示。网格划分是建立在有限元模型上的中心工作，模型的合理性在很大程度上由网格形式决定，在划分网格时应尽量避免使用小尺寸单元，这是由于小尺寸单元会极大降低时间步长，从而使模拟需要更长的时间。本文采用4节点积分单元，从而避免了特殊几何模型导致的极限步长偏小的问题。准静态拉伸试验和仿真数值对比如图5所示，由图5可知：仿真与试验载荷位移曲线趋势相一致；最大载荷非常接近，CAE分析值为37.24kN，试验值为36.69kN，CAE分析最大载荷与实际最大载荷偏差为1.50%；位移形变也较为接近，CAE分析值为3.14mm，试验值为3.19mm，CAE分析最大位移与实际最大位移偏差为1.57%。试验与仿真存在一定偏差的主要原因：拉伸模量受失效分析方法影响较大，仿真分析模量基于固定载荷下的微小形变，而试验采用载荷衰减失效方式计算。准静态三点弯试验和仿真数值对比如图6所示，由图6可知：仿真弯曲与试验载荷位移曲线趋势相一致；U形梁的最大载荷非常接近，CAE分析值为3600N，试验值为3594N，CAE分析最大载荷与实际最大载荷偏差为0.17%；U形梁的位移形变也较为接近，CAE分析值为12.03mm，试验值为11.87mm，CAE分析最大位移与实际最大位移偏差为1.34%。仿真与试验出现偏差主要来源于两方面：一方面，三点弯曲跨距值取决于样板厚度，成型前后比复合材料板材厚度变化稍有差异，而仿真计算则通过单层层合板叠加铺层，最终跨距计算存在误差；另一方面，弯曲上下压头表面与测试样板之间存在固有摩擦，属于系统误差。模态试验设备一般包括激励系统、测量系统和数据采集处理系统三部分，基本配置如图7所示。自由模态试验的测试夹具如图8所示，由图8可知：发动机盖处于关闭状态，车身铰链SPC1~6，铰链旋转轴可绕y向旋转；车身侧支撑杆SPC1~6，锁扣SPC23，内板前端4个bumper点SPC3。在底部台架安装激励，采集监测点(3个)激励响应。实际模态试验3个监测点响应曲线分别在37.5、37.0、38.0Hz第一次出现波峰。碳纤维复合材料引擎盖的模态试验CAE仿真结果如图9所示。基于CAE分析发动机盖第一阶弯曲模态频率为37.7Hz。实际模态试验3个监测点响应曲线分别在37.5、37.0、38.0Hz第一次出现波峰，所以碳纤维复合材料引擎盖实际模态试验的第一阶弯曲模态频率为37.5Hz。碳纤维复合材料引擎盖CAE分析发动机盖第一阶弯曲模态频率与实际第一阶弯曲模态频率的偏差为0.53%。抗凹刚度试验的测试夹具如图10所示，按照图10所示在外板关注点(P1至P7)上采用25mm×25mm的方形压头，垂直载荷150N然后对卸载的边界条件进行约束。碳纤维复合材料引擎盖外板的抗凹试验CAE仿真结果如图11所示。基于CAE分析发动机盖外板P4点位移CAE分析最大值为7.847mm，外板实际试验P4点位移试验最大值为7.57mm，CAE分析结果与实际结果的偏差为3.7%。表4为碳纤维复合材料引擎盖外板抗凹试验7个点CAE分析结果与实际结果的对比。与试验相比较，CAE分析结果相对偏小，最大偏差和最小偏差分别为39.2%(P1)和3.7%(P4)。试验与仿真存在一定偏差的主要原因：仿真测试的固定较为理想化，而试验中采用的联合加载卡具存在螺栓滑丝因素，影响整体受力效果；另一方面仿真施加力过于理想，直接作用样品，而试验通过夹具与样品之间的摩擦间接施加纵向弯曲力。本文采用概念设计、材料性能试验和工艺设计多阶段联合优化设计的方法，最终在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下，实现碳纤维复合材料引擎盖轻量化设计，通过相关模拟结果和设计试验对比，结论如下。(1)碳纤维复合材料在汽车引擎盖的应用中，材料级试验结果与仿真结果偏差较小：准静态拉伸试验—仿真的数值仿真与试验载荷位移曲线趋势相一致，最大载荷非常接近，碳纤维复合材料引擎盖CAE分析最大载荷与实际最大载荷偏差为1.50%，CAE分析最大位移与实际最大位移偏差为1.57%；准静态三点弯试验和仿真数值对比类似，碳纤维复合材料引擎盖CAE分析最大载荷与实际最大载荷偏差为0.17%，CAE分析最大位移与实际最大位移偏差为1.34%。(2)碳纤维复合材料引擎盖的模态试验CAE仿真结果表明，碳纤维复合材料引擎盖CAE分析发动机盖第一阶弯曲模态频率与实际第一阶弯曲模态频率的偏差为0.53%。(3)与试验相比较，碳纤维复合材料引擎盖外板抗凹试验7个点CAE分析结果相对偏小，最大偏差和最小偏差分别为39.2%和3.7%。试验与仿真存在一定偏差的主要原因是：仿真测试的固定较为理想化，设计试验载荷较为复杂。
