车辆工程技术
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车辆技术
杜治雄，王 泽，王旭东，朱光辉（众泰汽车工程研究院，杭州 310018）
摘 要：采用碳纤维复合材料替代钢材，通过结构拓扑优化对B 柱加强板进行轻量化设计，与传统钢件相比重量减轻1.183Kg，减重55%，同时采用CAE 仿真碰撞分析，CAE 分析结果与实际基本相符，满足产品设计要求。文中以众泰汽车某SUV 车型为例，简单介绍了B 柱加强板设计方法。关键词：轻量化；碳纤维；B 柱加强板
0 引言
目前汽车工业的发展面临着三大主题：节能、环保和安全。汽车轻量化是节能减排的重要方法和途径，汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用，其中轻量化材料的使用是车身减重的主流方式。
本文通过采用碳纤维复合材料取代钢材，对车身B 柱加强板进行材料替换和结构集成再设计，利用拓扑优化技术优化设计碳纤维B 柱总成，并通过Nastran 软件优化碳纤维在零件中的取向分布，减少零部件变形，得出最优的碳纤维B 柱加强板结构。
1 材料及生产工艺选择
由于碳纤维存在横向及纵向两个方向弹性模量，无法按等刚度替换来计算碳纤维料厚，暂按横向模量计算，碳纤维料厚初步按t ≈1.7T （t 为碳纤维零部件厚度，T 为钣金件零件厚度）定义；考虑零件屈服，碳纤维屈服完全大于钢材，初步采用T300的碳纤维原材料。 经调研目前碳纤维零件在车身上的常规连接主要采用的是胶粘+铆接的连接方式，经试验分析，选取常温固化的双组份胶及普通铆接螺钉进行连接。
2 碳纤维结构优化分析
通过将B 柱加强板中的支撑板替换为碳纤维零部件后，在达到相同侧撞性能时，以此来分析碳纤维的减重效果。依据B 柱结构，复合B 柱加强板包括1#钣金加强板、3#小支架及2#的复合材料的内加强板。其中采用壳单元进行模拟，网格尺寸为5mm，使用Nastran 软
件进行分析求解。
图1 B 柱结构模型
将B 柱总成，金属和复合材料力学性能代入Nastran 软件，对各种方案的自由模态、轴向压缩、后向弯曲、侧向弯曲、3点弯工况等5种状态进行对比分析，以得出最优方案。
先行选取以下几种方案来进行对比分析B 柱总成的刚度及强度，通过对比分析得出最优结构。
此项目为金属改制为碳纤维项目，主要对以下三种料厚进行分析： （1）A1.8（料厚1.8mm）方向：
该方案金属板结构形式和厚度（1.8mm）均保持不变，原2#金属板改为复合材料加强板，对其厚度和结构形式进行优化；
（2）A1.5（料厚1.5mm）方向：该方案金属板结构形式不变，厚度减薄至1.5mm，原2#金属板改为复合材料加强板，对其厚度和结
构形式进行优化；
（3）A1.6（料厚1.6mm）方向：厚度减薄至1.6mm，原2#金属板改为复合材料加强板，对其厚度和结构形式进行优化。 经过多轮优化分析，最终分析结论如下：
A1.6方案刚度和原金属方案匹配度最高，但减重效果一般；A1.8方案工艺难度最小，成本最低，但减重效果最差；A1.5方案减重效果最好，但需多开模具，工艺最复杂，成本最高。
综合成本、工艺以及性能等方面考虑，A1.6方案符合目前的要求。依据A1.6方案进行整车CAE 分析。因B 柱加强板金属结构的3点弯强度关系到整车碰撞的强度，则此复合材料性能主要从车身在大壁障50km/h 速度碰撞下车身侵入量和侵入速度这两个方面来考量。大壁障碰撞模型中台车质量为1400kg，以时速50km/h 的速度撞向整车。此时考量车身侵入量和侵入速度。收集分析参数如表1。
表1 大壁障碰撞两种方案CAE 分析对比
输出
部位
最大侵入量（mm）最大侵入速度（m/s）速度目标值（m/s）原金属方案 1.6复合材料方案原金属方案 1.6复合材料方案上肋71.6872.25 5.6@49ms 5.7@100ms <7中肋84.6884.66 6.3@49ms 5.4@100ms 下肋89.2988.79 6.3@49ms 5.7@100ms <7.5
腹部
76.83
73.82
6.3@49ms 5.6@100ms
3 试验结果分析
通过表1对比数值可以看出，主要的4个考核点中碳纤维制作的B 柱加强板有3个考核点优于金属方案，性能具备明显优势，能够满足整车强度性能。B 柱加强板的强度关系到整车碰撞的强度，经验证
分析，碳纤维B 柱加强板白车身在性能达到原钢制白车身的情况下，单件减重可达55%以上，减重效果显著。
4 结论
本文通过国产品牌汽车开发，应用碳纤维车身钣金件，并对其进
行CAE 分析，确认B 柱加强板应用碳纤维材料技术的优势，形成技术储备。目前国内碳纤维尚处于起步阶段，原材料及生产工艺明显落后于国外，且成本较高，但随着未来碳纤维技术的成熟及发展，碳纤维材料必将大批量应用于车身，大大提升整车的强度以及未来对汽车满足轻量化的要求。参考文献：
众泰汽车[1]范云飞，孙然然.轻量化汽车材料技术的最新动态[J].工业B,2015(05):51.
作者简介：杜治雄（1982-），男，湖北荆门人，本科，助理工程师，研究方向：汽车研发。
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