碳纤维增强复合材料满足汽车保险杠的轻量化需求

随着能源短缺、环境污染等问题的日益严重，对汽车行业的发展提出了更高的要求，车身轻量化尤为重要，车身轻量化的３种途径为轻量化材料应用、结构优化设计和先进的制造工艺，其中材料替换被认为是最有效的方法，由于碳纤维增强复合材料具有较高的比刚度、比强度和优异的能量吸收特性而被广泛用于航空、航天、赛车等高科技工业领域，近年来也作为轻质材料用于新能源车车身轻量化设计中。



碳纤维增强复合材料具有各向异性、拉压不对称性和应变率效应等性质，有关其理论与应用的研究报道较为广泛。通常对碳纤维增强复合材料方管进行了准静态、动态压缩试验，分析了方管几何形状、纤维体积分数和应变率等对其压溃性质、吸能特性的影响；使用数值模拟与实验的方法对不同的碳纤维增强复合材料结构进行研究，证实了失效准则的选取对复合材料结构的性能预测结果具有重要影响。但是，碳纤维增强复合材料应用于车身结构耐撞性的优化设计研究还较少。运用多尺度方法得到碳纤维增强复合材料的本构模型并设计了满足耐撞性要求的碳纤维增强复合材料电动汽车车身骨架，从而大幅降低了车身质量。



保险杠系统是汽车低速碰撞时的主要承载和吸能构件，对保护汽车其他零部件和乘员安全起着至关重要的作用，使用高强度片状模塑料复合材料（ＳＭＣ ）替代原保险杠零件的钢材料，基于仿真分析对ＳＭＣ保险杠结构进行厚度优化与结构优化，在保证耐撞性的基础上保险杠质量较原高强度钢保险杠下降了２９％ ；综合考虑耐撞性与成型工艺要求设计了一种铝合金保险杠，通过中心复合试验设计与自适应响应面方法对保险杠横梁壁厚进行了优化．使用碳纤维增强复合材料设计保险杠结构时，需要考虑复合材料的特性与保险杠结构的可制造性和安全技术规范。

有研究针对某款电动汽车保险杠轻量化设计的要求与结构的可制造性，设计了一种整体式碳纤维增强树脂基复合材料保险杠，并以保险杠系统质量最小为优化目标，采用仿真分析方法，通过拉丁超立方采样方法近似建模技术与遗传算法对保险杠结构进行轻量化优化设计，以期为碳纤维增强树脂基（ ＣＦＲＰ ）复合材料保险杠轻量化设计提供借鉴。有研究，通过对碳纤维增强树脂基复合材料的准静态、动态力学性能测试，完成了材料本构建模．针对某款纯电动汽车保险杠的轻量化设计要求与可制造性，设计了一种整体式碳纤维增强树脂基复合材料汽车保险杠，并在有限元法仿真的基础上，以耐撞性为约束对结构进行轻量化优化设计。