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*浙江省科技攻关项目(编号:2018C01054)收稿日期:2019年1月
1研究背景
随着我国汽车保有量的快速上升，环境污染与能源浪费问题愈加凸显，环保、节能的电动汽车成为汽车行业发展的主流，研究车身轻量化是提高汽车续航能力的重要一环[1]。碳纤维及其复合材料制品以轻质、高强度、材料性能具有可设计性等优点成为目前发展最迅猛的材料之一，在汽车工业等领域有广泛应用[2]。笔者采用碳纤维环氧树脂复合材料设计小型乘用车的前防撞梁，替代传统金属防撞梁，达到了大幅度减轻质量的目标。
按照GB 17354—1998《汽车前、后端保护装置》的规定[3]，汽车防撞梁的设计应当采用应力分析设计方法。目前，新能源汽车复合材料部件绝大多数采用ANSYS 、ABAQUS 等主流商用有限元软件进行应力分析。Hilmann 等[4]使用Hypermesh 、MATLAB 等商用软件为防撞梁材料和几何形状设计变量，利用遗传算法对其进行改进。Davoodi 等[5]利用ABAQUS 软件模拟碰撞，对八种不同截面形式防撞梁进行研究，提出增强保险杠截面厚度，使耐撞性更强。Farkas 等[6]采用响应面法对保险杠横梁质量、碰撞力等进行优化，实现质量的
减轻和耐撞性的提高。陈全世等[7]利用ALGOR FEAS 有限元软件分析玻璃纤维增强树脂复合材料，并与试验结果进行对照，发现复合材料的比强度较高，比刚度较弱。刘海江等[8]提出高强度片状模塑料的优化设计，进一步减轻防撞梁的质量。孙文婷等[9]基于国产SiPESC 软件提出多目标优化防撞梁截面的方法。
ACP 模块全称ANSYS Composite PrepPost ，包括
ACP (Pre )和ACP (Post )两部分。ACP (Pre )模块用于复
合材料的建模,ACP (Post )模块用于结果的分析，数据在平台内通用。ACP 模块针对ANSYS APDL 软件在复合材料建模时的缺点进行了改进，包括可视化复合材料铺层设置、修改方便、数据平台间无缝传输、强大的后处理显示等，极大方便了复合材料的建模。近几年来,ACP 模块在风机叶片[10]、螺旋桨[11]等复合材料复杂结构的三维建模和有限元分析方面得到了越来越多的应用。但是,ACP 模块在汽车防撞梁上的建模和有
限元分析还鲜有报道。
2碳纤维铺层优化设计
防撞梁的优化设计采用纤维铺层叠加，需要确定铺层的参数，主要包括铺设角度、各角度层占比、叠
放序列和总厚度。铺设原则[12]如下:①相对对称原则，避免拉剪、拉弯耦合引起失效;②铺层方向要尽可能少,
碳纤维复合材料防撞梁的设计与分析□
郑传祥
□
窦丹阳
□
林
娇
□陈建阳
浙江大学化工机械研究所
杭州
310027
摘
要：对某款乘用车的碳纤维复合材料防撞梁进行了研究。对碳纤维铺层进行了设计，通过有限
元建模、施加边界条件与载荷，对碳纤维复合材料防撞梁的应力、变形与应力失效因数进行了分析，并对不同碳纤维铺层铺设角度进行了对比。通过设计与分析，使碳纤维复合材料防撞梁在满足要求的前提下，相比铝合金防撞梁质量减轻31.4%。
关键词：汽车
防撞梁
碳纤维复合材料设计
中图分类号:TH122;U463
文献标志码:A
文章编号:1000-4998(2019)06-0057-06
Abstract :An anti-collision beam made of carbon fiber composite for a passenger car was studied.The
carbon fiber layup was designed.The stress ,deformation and stress failure factors of the anti-collision beam
made of carbon fiber composite were analyzed by finite element modeling ,application of boundary conditions and loads.The angles of different carbon fiber layups were compared.Through design and analysis ,the carbon fiber composite beam could reduce its mass by 31.4%compared with the aluminum
alloy beam provided that the requirements should be satisfied.
Key Words :Automobile
Anti-collision Beam
Carbon Fiber Composite
Design
方便加工;③铺层方向依照主载荷选择;④铺层最小比例原则，且任意方向铺层比例不应低于10%;⑤铺层顺序原则，应使各层沿厚度方向均匀分布。为此，取铺层角度为[0°/+φ/-φ/180°]，其中φ为角度变量。MIC-MAC 是一款优秀的复合材料专用计算软
件，其基于Microsoft Excel 软件应用，以经典层合板理论作为理论基础，用于复合材料的结构强度计算与寿命预测，使用方便，参数对结果产生的影响可直观反映在图中[13]。笔者选择MIC-MAC 软件对纤维铺层角度进行优化。
对于汽车防撞梁而言，应使其尽可能在长度方向上的弹性模量最大。对于四层复合碳纤维，笔者选择上、下两层为0°，中间两层在任意角度进行铺设。优化结果如图1所示，当φ为0°和180°时，防撞梁长度方向上的弹性模量最大。在实际工程中，需要考虑横向模量和强度，因此需要有其它角度的铺层。铺设角度因生产需要一般取±30°、±45°。而铺设角度选取±30°相比±45°能在长度方向上提供更大模量，
赘婿楼舒婉最后怎么样因此中间两层选择±30°兼顾横向模量。
3有限元建模
复合材料结构设计一般有等代设计法、准网格设计法和层合板排序设计法[14]。在设计中，需要对材料进行替换，为了尽量减小对结构的影响，应保持形状结构一致，以保证防撞梁的安装精度，因此选择等代设计法中的等厚度设计法。
基于现实中材料的加工过程进行ACP 建模，通过直观定义材料、铺层顺序、方向角度等，可以很好地模拟材料属性。
对于复合材料防撞梁模型，通过对静载变形仿真来验证其可靠性，步骤如下。
(1)建立复合材料防撞梁模型，如图2所示，通过
Spaceclaim 软件导出壳体，再导入ACP (Pre )模块，以壳层作为铺层基准面铺设碳纤维铺层。定义材料属性,
模型的碳纤维环氧树脂材料性能参数见表1。
为0.1mm 的纤维布，设置三层角度[0°/30°/-30°]的铺层基元。±30°铺层可以提高复合材料沿非纤维正方向的模量。纤维铺层如图3所示，材料属性如图4所示。(3)设定铺层方向。在防撞梁上选取单元表面的
法线Z 方向为纤维堆叠方向，以备对称铺设纤维层。每段的层数和方向均保持一致，以保证结构性能相同。(4)铺层。将铺层基元进行堆叠，生成建模组合,
沿上、下方向均等交叉铺设[0°/+30°/-30°]共30层纤维布，完成复合材料防撞梁纤维布铺层的建模。相比铝合金2700kg/m 3的密度，碳纤维环氧树脂复合材料密度仅为1850kg/m 3，使其在同结构情况下质量减轻31.4%。
表1碳纤维环氧树脂复合材料性能参数4有限元计算
4.1
边界条件与载荷
复合材料防撞梁与实际载荷条件相符，目标为得到与铝合金防撞梁相同的强度。根据厂商提供的数据，铝合金防撞梁在15kN 静力时，受力屈服强度接近279MPa 。取安全因数为1.5，由于应力应变曲线的屈
18016014012010080604020(a )刚度矩阵
杨氏模量E 1
杨氏模量E 2
剪切刚度模量G xy
Q 11Q 22
Q 33
拖车孔
吸能盒连接处
E y
E z
μxy
μyz
μxz
G xy
G yz
G xz
9.759.750.300.340.309.20  5.609.20泊松比剪切弹性模量/GPa E x
160.0
杨氏模量/GPa 数值项目
服段可以认为是线性，因此得到许用应力为10kN。在有限元计算中，将模型从ACP(Pre)模块导入Static Structural模块，以10kN作为防撞梁正面载荷，在防撞梁与车身支架接触侧施加固定约束。
4.2计算结果
防撞梁应力云图如图5所示，受力变形云图如图6所示,Tsi-Wu应力失效因数云图如图7所示。应力失效因数越接近1，表示材料越接近失效，超过1，则代表失效。由图5可以看出，防撞梁正面受力处应力分布较为均匀，约为50MPa。防撞梁背面应力对称分布，最大受力为207.91MPa，处于背部拖车孔开孔处。由图6可以看出，由于中央板有加强作用，变形较大处沿中轴线对称分布，因此防撞梁正面上、下侧变形较大，致使层间剪应力较大，易造成失效,Tsi-Wu应力失效因数在此处也较高。由图7可以看出,0°铺层纤维方向为沿轴线，因此受剪切应力较大，最高失效因数为0.92，显
0.1 0
-0.1
0°,0.3mm
-30°,0.1mm
30°,0.1mm
0°,0.1mm
▲图3纤维铺层
E2
E1
G XY
正面
正面张芸京个人资料
207.91Max
184.81
161.71
林俊杰国籍138.61
115.51
92.404
69.303
46.202
23.101
0Min
207.91Max
184.81
161.71
▲图5防撞梁应力云图
0.88189Max
0.7839
0.68591
0.58792
0.48994
0.39195
0.29396
0.19597
0.097987
0Min0.88189Max
0.7839
0.68591
0.58792
0.48994
0.39195
0.29396
0.19597
1000
0.9564Max
0.750.625
0.5
0.3750.25
0.1250Min
1000 0.92085Max 0.750.625 0.50.375 0.250.125
10001
0.8750.70134Max
0.50.375
0.25
10001
0.8750.70134Max
0.50.375
0.250.125
7.93×104MPa
5.95×104MPa
3.97×104MPa
1.98×104MPa
270
180
(MPa)
(mm) 90
著高于+30°、-30°铺层。
利用ACP (Post )模块计算全部纤维铺层的力学参数，因为防撞梁正面受力的力学性能尤为重要，所以以防撞梁正面为例，对每层铺层基元的应力变化进行分析。图8所示为不同纤维层第一主应力S 1的变化云图，可以看出S 1先减小后增大。不同纤维层总应力S 、第一主应力S 1、第二主应力S 2与切应力S 12的变化如表2和图9所示。由图9可以看出，纤维铺层应力均大致按高、低、高的顺序分布，这是因为防撞梁受力变形时，位于前侧的纤维层受较大压应力，后侧则受较大拉应力，中间层主要承受切应力，切应力与拉、压应力
相比较小。4.3
结果对比
复合材料的设计远比传统材料的设计复杂，由于内部结构的各向异性力学特性和受力破坏失效的复杂成因，结构参数的改变会对力学结果产生重要影响。因此，可以通过更改参数来得到不同性能的复合材料。为了对比有限元建模时采用+30°、-30°与采用其它角度对计算结果的影响，笔者引入Parameters 模块，在保持其它结构不变的情况下，对不同铺层角度计算结果进行对比。分别选取应力强度最大值、应力失效因数最大值与变形最大值作为输出变量，结果见表3。由表3可
24.22514.715.1947-4.3205-13.856-23.351-32.866-42.381-51.897-61.412
8.40791.3144-5.779-12.872-19.966-27.059-34.153-42.246-48.339-55.433
6.63690.71971-5.1974-11.115-1
7.032-22.949-2
8.866-34.783-40.7-46.617
表2
不同纤维层应力变化
纤维层序号S 1S 2S 12S 0°
30°
-30°
0°
30°
-30°
0°
30°
-30°
0°
30°
-30°
1
24.23147.18143.1541.3231.4128.779.1214.6732.42116.22183.36178.52217.34112.83109.4233.0824.6121.977.1710.6125.79102.79143.93139.74310.4579.0475.8224.8517.8115.17  5.20  6.5519.1689.57105.73102.094  6.6445.2442.2216.6211.028.36  3.26  2.9312.5377.8569.2166.065  6.9912.2625.388.38  4.36  2.75  2.66  1.46  5.9566.2140.9344.6067.3411.6325.94  4.04  3.80  4.49  2.31  1.58  6.66
阿娇老公赖弘国身价56.4663.1463.7177.6927.0528.757.50
7.00
8.71
3.43  6.9910.6655.9990.36
92.09
88.0549.4550.8712.6011.2612.94  4.9012.7014.7256.64124.53126.569
8.4072.0473.4517.7015.4917.16  6.5519.4018.7858.23160.87163.37109.22
94.8296.1622.80
19.7221.408.48
26.0622.80
刘德华张学友不和
60.76199.52202.08MPa (MPa )
铺层1~5
铺层6~10
以看出,+45°、-45°铺层能够很好地降低材料失效风险，而+30°、-30°铺层能够在长度方向上提供更大的模量，应对其它侧向载荷。
表3铺层角度对力学性能影响对比
5结束语
笔者应用ANSYS ACP模块搭建模型并分析碳纤维铺层复合材料防撞梁。应用MIC-MAC软件确定[0°/ +φ/-φ/180°]铺层的力学性能，发现[0°/+30°/-30°/180°]能够更好地兼顾横向模量。在ACP(Pre)模块中构建模型，考察了应力、变形和Tsi-Wu应力失效因数分布。应用ACP(Post)模块以防撞梁正面为例对全部纤维层进行应力强度考察，最后引入Parameters模块，在其它结构不变的情况下，对不同铺层角度进行计算结果对比。笔者所用设计计算方法在ANSYS软件中集成，可以直观、高效、便捷地建立与修改复合材料模型，相比铝合金防撞梁可以减轻质量31.4%，为碳纤维复合材料防撞梁和汽车工业其它复合材料部件的设计提供了参考。我爱中国
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设计组铺层情况应力最大
值/MPa
Tsi-Wu应力失
效因数最大值
变形最
大值/mm
1[0°/+30°/-30°/180°]207.910.95640.88189 2[0°/+45°/-45°/180°]211.890.653240.62626 3[0°/+15°/-15°/180°]185.74  1.4956  1.3232 4[0°/+60°/-60°/180°]461.88  1.3916  1.3465
220
200
180
160
140
120 100 80 60 40 20
0°
30°
-30°
0246810
铺层序号
(a)S(b)S1
0246810
铺层序号02468100246810
160
140
120
100
80
60
40
20
45 40 35 30 25 20 15 10
35
30
25
20
15
10
5
0°
30°
-30°
0°
30°
-30°
0°30°
-30°
25
20
15
10
5