連續碳纖維增強復合材料B柱加強件結構分析

晏紫 徐希宇 李能文 李永祥

摘 要：文章以提升某款車型IIHS頂壓性能為目標，進行連續碳纖維增強復合材料B柱加強件的設計，并通過有限元分析軟件Hypermesh與Ls-dyna完成5種典型結構形式加強件的性能對比。5種截面分別為（a）與鈑金加強板隨形、（b）與內板隨形、（c）拱型、（d）“凹”型與（e）帽型。對裝配有相同鋪層的這5種加強件的B柱進行截面分析并選用B柱子系統在IIHS頂壓工況下橫向對比其承載能力。研究發現，帽型結構截面積最大，其抗彎及抗軸向變形能力最強，承載能力最優，可為后續碳纖維加強件設計優化提供參考。

關鍵詞：連續碳纖維增強復合材料;B柱加強件;截面形式

中圖分類號：U465.6 ?文獻標志碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-120-04

Abstract： In order to improve the IIHS roof strength performance of a certain vehicle， the B-pillar reinforcements of continuous carbon fiber reinforced composite materials were designed. The performance comparison of five typical structural forms of reinforcement was completed through the finite element analysis software Hypermesh and LS-DYNA. The five cross-sections of reinforcements are （a） conformed to the sheet metal reinforcement plate， （b） conformed to the inner plate， （c） arched， （d） concave-shaped and （e） hat-shaped. The section analysis of B pillar with these 5 kinds of reinforcements was carried out and the B-pillar subsystem was selected to compare its load-bearing capacity laterally under the IIHS roof crash condition. It is found that the hat-shaped structure has the largest cross-sectional area， the strongest bending and axial deformation resistance， and the best bearing capacity， which can provide reference for the subsequent design optimization of carbon fiber reinforced parts.

Keywords： Continuous carbon fiber reinforced composite; B-pillar reinforcement; Section form

CLC NO.： U465.6 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-120-04

前言

各國陸續出臺的日益嚴苛的汽車排放標準對車身輕量化提出了更高的要求。為保證在大幅減重的同時汽車安全性能不減弱，在飛機上已大量應用的復合材料進入了汽車行業的視野[1]。在眾多的復合材料中，連續碳纖維增強樹脂基復合材料又以其優異的綜合性能，極低的密度脫穎而出[2]。國內外已有許多主機廠成功地將碳纖維增強樹脂基復合材料應用于制造車身外覆蓋件及功能件，但在結構件上卻鮮少應用[3]。這主要是由于連續碳纖維增強復合材料具有各向異性，與各向同性的鈑金相比，結構設計更為復雜，設計過程中需考量的因素更多，設計難度更大。但考慮到碳纖維復合材料杰出的比強度與比剛度，替代現有的鈑金結構件勢必能達到較好的減重效果，因此連續碳纖維增強復合材料結構件在車身上具有較好的前景與應用價值。

B柱是車身框架上主要承力結構之一，諸多研究人員在進行車頂壓潰試驗全局敏感度分析時發現汽車B柱結構對車頂強度的貢獻度最大[4-5]，因此提高B柱結構的強度必然能有效提升車頂抗壓能力。各大主機廠均致力于用最低的成本、最少的重量來有效提升B柱區域的承載能力，其中最常見的方式即為增加加強件。目前應用最為廣泛的是各類高強鋼制加強件，對于更為輕質的連續碳纖維增強復合材料加強件還處于初期研究階段。在結構件的設計中，結構形式是決定結構件作用效果至關重要的因素之一[6]。本文以某車型考慮IIHS法規下的頂壓性能提升而設計開發的碳纖維復合材料B柱加強件為例，對連續纖維增強復合材料加強件的結構形式進行分析。

1 設計背景

在車身設計時，理想的B柱強度分布應該為上硬下軟[7]，以確保在各種工況下，車身上部變形小，乘員的生存空間足夠，頭胸部不至于受到較大的損傷，下部變形大，盡可能多的吸收能量。在頂壓工況下， IIHS評分較低的車型往往是B柱中上部出現較大折彎，下部變形小。本文選擇的某車型在頂壓工況下的變形情況也是如此，圖1所示為該車型IIHS頂部壓潰試驗的仿真分析結果，B柱中段內板處發生明顯折彎。因此 需要進一步加大B柱上部強度、剛度與穩定性，在B柱中上部增加加強件。

本文所選車型B柱結構如圖2所示，B柱加強件的設計邊界為熱成型鋼制 B柱加強板與普通鋼制B柱內板，上部空間還需考慮安全帶加強板的安裝。碳纖維結構加強件設計時需要兼顧車身性能、工藝成形性、成本、輕量化等諸多因素。其材料、生產工藝與結構設計息息相關，本文選擇較為成熟的預浸料模壓工藝。因此，圓角半徑、表面特征（加強槽、下陷等）、孔位尺寸、脫模斜度等均需滿足一定的設計要求[8]。車身結構件要求有較高的強度并應能隨白車身進行電泳烘烤，本文選用預浸料的增強相為T700級單向連續碳纖維，基體為高Tg的熱固性環氧樹脂，單層厚度0.135mm，共22層，即總厚度為2.97mm，據此可計算出圓角半徑及孔位等特征的設計極限值。

加強件與周邊零件的連接也會直接影響到結構的整體性能。碳纖維與鈑金間的連接形式有膠接、機械連接與混合連接，機械連接會帶來電化學腐蝕、打孔破壞纖維連續性并產生應力集中，造成很多性能、成本上的問題，設計時將連接形式初步定為膠接，其可靠性還需通過后續驗證。

2 結構設計與截面分析

連續纖維增強復合材料加強件結構設計時在借鑒金屬結構加強件設計經驗，確保與周邊零件間載荷傳遞流暢且合理的同時還應考慮充分利用連續纖維增強樹脂基復合材料的可設計性與優異的沿纖維方向的性能。作為汽車行業的先驅者，寶馬提供了很好的先導作用，率先將連續碳纖維復合材料加強件廣泛應用于7系當中。碳纖維被用來加強車頂框架、側圍、B柱/C柱、中通道、門檻與后窗臺板。其中，碳纖維側圍前上加強板為管狀結構，膠接于鈑金件上，加強整個側圍上端;碳纖維B柱加強板采用與B柱鈑金加強板隨形的結構形式，粘接于鈑金件上來增強B柱區域[9-10]。這也是目前最常見的兩種碳纖維增強復合材料汽車結構件的設計形式：增強單個零件與增強整個腔體。

根據這兩種設計思路，本文基于某款車型共設計了5種結構形式的碳纖維復合材料B柱加強件。為便于對比，各方案的長度、厚度及鋪層均一致。

2.1 方案一：直接加強B柱加強板

如圖3（a），結構一以與鈑金加強板隨形的結構形式來增強。除難成型的復雜特征及孔位處開孔避讓，其他位置碳纖維加強件均通過膠膜與鈑金加強板緊密貼合。

2.2 方案二：直接加強B柱內板

如圖3（b），結構二加強較為薄弱的內板，以與鈑金內板隨形的結構形式來增強，在孔位處開孔避讓，對于內板上一些復雜特征，考慮到預浸料的鋪覆性，將特征變平緩或直接去除。

2.3 方案三：加強B柱腔體

如圖3（c）-（e），增強腔體結構時選取了3種典型開口截面形式：拱型（結構三）、“凹”型（結構四）及帽型（結構五）。拱型與帽型加強件均粘接于內板上，凸向鈑金加強板，在頂壓工況時凸起段會與B柱加強板接觸，從而將整個腔體一分為三，實現截面單腔向多腔的轉變，既能有效傳遞力又能使加強結構本身最大化吸能?！鞍肌毙图訌娂辰釉诩訌姲迳?，向內板凸起，設計時需避讓安全帶安裝加強板。各種異形結構設計時需兼顧可制造性與裝配便利性，圓角處平滑過渡，避免形成尖銳棱角導致后續加工時產生制造缺陷從而影響性能。

截面分析采用Hypermesh軟件中的Hyperbeam模塊，坐標系選用截面的相對坐標系，原點為截面形心，x軸為截面法向。各結構A-A截面如圖5。截面特性常用以下幾個參數表征：截面積A，截面慣性矩Iy、Iz，慣性積Iyz，截面主慣性矩Iv、Iw及截面扭轉常數It、截面彎曲常數Iww，這些參數能夠衡量截面的抗彎能力。分析結果如表1所示，加強內板的方案（結構二）Iy、Iv、It最大，表明其繞截面Y軸抗彎、最小抗彎能力及抗扭能力較強，帽型加強件的截面（結構五）A、Iz、Iw、Iww最大，表明其抗軸向變形能力、繞截面Z軸抗彎抗扭及最大抗彎能力均較強。

3 性能驗證

結構形式的選擇最終還需以目標工況的仿真結果為指導。對各結構的性能對比采用Ls-dyna求解器模擬分析。由于整車頂壓仿真計算量較大，而復合材料零件設計優化迭代涉及到結構、鋪層等諸多方面，優化的輪數往往較多，所需時間相對金屬件的設計也較長，因此，為了在設計前期能較快確定初步的結構形式，提升設計效率，常將加載速率放大并截取局部進行橫向對比。本文選擇單邊B柱子系統進行仿真分析。該子系統除圖2所示結構外還包含左側門檻構件以及部分側圍外板、左A柱及頂蓋件。加載條件按照IIHS頂部壓潰試驗條件設定，與整車仿真完全一致。局部仿真時為使局部變形情況與整車仿真類似，即下端幾乎不變形，將下部約束由試驗要求的門檻板底部上移至B柱內板中下段，如圖6（a）所示。對比圖6（b）與圖一可見該子系統模型在IIHS工況下B柱變形與整車中B柱變形非常接近。將仿真所得壓板反力的峰值作為評價各結構的力學性能的指標。

頂壓工況下B柱上部既承受軸向力又承受彎矩與扭矩，因此碳纖維加強件鋪層包含0°，90°，+45°和-45°四個方向，軸向（整車坐標系下Z向）為纖維主軸方向，共鋪設22層，鋪層滿足對稱原則且為提升結構抗沖擊性及穩定性外表面為±45°鋪層，五種結構件保持同種鋪層，鋪層秩序為[45°/-45°/90°/-45°/0°/0°/45°/0°/45°/-45°/90°/]s，仿真所用預浸料材料參數與膠的參數均為材料廠家提供的材料卡片，分析時選用較為保守的應變失效準則。觀察各結構加強件的失效形式及壓板上承受的最大反力。

結構一-五在頂部壓板向下加載127mm的過程中達到最大應變時刻的應變云圖如圖7所示，應變多集中于圓角特征處，除與內板隨形的結構二以外，其他四種結構的加強件均在圓角處發生縱向開裂，裂紋從上端向下端延伸，結構件失效無法繼續承載。達到最大應變的時刻也是整體結構承受力值最大的時刻。與內板隨形的結構二各部位所受應變較為均勻，遠小于其他幾種結構，未發生明顯失效。在整個仿真過程中，膠后于加強件失效，表明膠接足夠可靠，無需變更連接方式。

各結構在頂壓工況下的壓板反力-位移曲線如圖8，仿真結果見表2。壓板最大反力由強到弱依次為：帽型結構、與內板隨形結構、“凹”型結構、與鈑金加強板隨形結構、拱型結構、原鈑金結構。帽型結構承載能力最強，最大反力值為27231.1N，相對原始鈑金結構的18600.3N，提升了46.4%，拱型結構承載能力最弱，僅提升了7.2%。與鈑金加強板隨形結構及拱型結構與原鈑金結構承載力隨時間變化的趨勢相近，與內板隨形結構及帽型結構都在承載力達到最大值后迅速下降，這是由于B柱區域整體到達承載極限后上端發生折彎，無法持續傳遞較大力值?！鞍肌毙徒Y構達到峰值力的時刻晚于其他幾種結構，表明該結構的穩定性較強。