隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，汽車年產(chǎn)量及保有量的持續(xù)增加，導致全球性的能源危機及環(huán)境污染問題持續(xù)加劇，減少汽車全生命周期碳排放已成為全球汽車工業(yè)需要解決的關鍵問題。

世界鋁業(yè)協(xié)會指出，汽車質(zhì)量每減少10%，可降低6%~8%的油耗。同時在汽車工業(yè)中，汽車輕量化有助于傳統(tǒng)發(fā)動機汽車降低油耗或電動汽車增加里程數(shù)，這也是促進汽車節(jié)能減排的重要手段之一。在各種應用于結(jié)構(gòu)輕量化設計的輕質(zhì)高強的新型材料當中，碳纖維復合材料具有比強度和比剛度高的明顯優(yōu)勢，同時其具有良好的耐熱性和抗酸堿腐蝕性以及較低的熱膨脹系數(shù)，良好的比吸能等優(yōu)勢，是汽車外飾件及內(nèi)飾件輕量化設計的首要選擇。

汽車引擎蓋是汽車車身的重要組成部分，具有保護發(fā)動機、隔離噪聲等功能。碳纖維復合材料用于汽車引擎蓋的設計中，可以實現(xiàn)汽車引擎蓋輕量化，并有效降低車身質(zhì)量。隨著國內(nèi)外碳纖維復合材料制造技術(shù)和工藝技術(shù)、數(shù)值仿真技術(shù)的快速發(fā)展，針對汽車碳纖維復合材料引擎蓋的結(jié)構(gòu)及工藝設計優(yōu)化吸引了大量研究者投身其中。

汽車碳纖維復合材料引擎蓋的鋪層結(jié)構(gòu)設計及對于單層級工程常數(shù)對引擎蓋整體剛度存在明顯影響。段成金等設計了碳纖維與玻璃纖維鋪層的層間混雜三明治夾心結(jié)構(gòu)(3K碳纖維平紋編織布作為表層，玻璃纖維布作為內(nèi)部鋪層)用于汽車引擎蓋構(gòu)件，該汽車引擎蓋構(gòu)件的質(zhì)量僅為2.75kg，和原金屬汽車引擎蓋相比質(zhì)量減少4kg。研究結(jié)果表明，層間混雜三明治夾心結(jié)構(gòu)鋪層設計實現(xiàn)了成本可控且結(jié)構(gòu)強度滿足碳纖維復合材料引擎蓋鋪層結(jié)構(gòu)設計的需求。李浩利用ABAQUS軟件對碳纖維復合材料引擎蓋進行了計算機輔助工程(CAE)設計，通過靜態(tài)模型分析發(fā)現(xiàn)碳纖維復合材料單層級四個工程常數(shù)(E1、E2、v12、G12)與碳纖維復合材料引擎蓋剛度存在一定相關性，其影響效果排序為：G12＞E2＞E1＞v12。

本文以汽車碳纖維復合材料引擎蓋為研究對象，采用碳纖維復合材料替換金屬材料，以層合板理論為力學數(shù)值模擬CAE設計基礎，利用ABAQUS軟件對單層級試樣準靜態(tài)拉伸試驗和典型U形梁結(jié)構(gòu)準靜態(tài)三點彎試驗進行仿真，然后進行了臺架模態(tài)及抗凹剛度工況測試。采用概念設計、材料性能試驗和工藝設計多階段聯(lián)合優(yōu)化設計的方法，最終在滿足各種力學性能和制造工藝要求的前提下，實現(xiàn)碳纖維復合材料引擎蓋輕量化設計。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料與結(jié)構(gòu)

試樣采用日本東麗公司生產(chǎn)的T700SC12K碳纖維，表層為12K斜紋編織結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為[0/90]軸向編織布；采用德國NiroCell公司生產(chǎn)的TL2009AC /TL2009BC環(huán)氧樹脂體系作為基體，采用真空輔助樹脂灌注工藝制備單層級試樣及元件。

1.2 試驗方法與參數(shù)定義

汽車碳纖維復合材料引擎蓋單層級試樣準靜態(tài)拉伸試驗通過Instron5982萬能材料試驗機進行，分別測量單向材料0°拉伸并與CAE仿真對標，驗證單層級試樣的仿真偏差。

汽車碳纖維復合材料引擎蓋典型U形梁結(jié)構(gòu)準靜態(tài)三點彎試驗通過Instron5982萬能材料試驗機進行，分別測量[0°/90°]交替鋪層拉伸性能并與CAE仿真對標，驗證典型結(jié)構(gòu)試樣的仿真偏差。

汽車碳纖維復合材料引擎蓋部件級試驗通過臺架試驗進行，分別針對元件進行臺架模態(tài)試驗，臺架外板抗凹試驗，驗證并考核汽車碳纖維復合材料引擎蓋的安全。其中臺架模態(tài)試驗標定方法參見GB/T11349.2—2018《機械導納的試驗確定用激振器作單點激勵測量》中6.4。

本次試驗目的是測試其自由模態(tài)，即試驗對象在任一坐標上都不與地面相連，可以放在支架上或利用柔索將試件吊起，或在實際支承條件下進行試驗。首先安裝試件以及激振器和傳感器，然后連接激振器與激勵信號源通道，再連接測量通道與數(shù)據(jù)采集處理通道，進行激勵系統(tǒng)和測量系統(tǒng)調(diào)試。其次是測量和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的現(xiàn)場系統(tǒng)標定。標定時，測量系統(tǒng)各儀器單元的參數(shù)應與試驗時參數(shù)設置一致。通過預試驗檢查系統(tǒng)運行是否正常，激勵點和測量點位置是否合適。最后采集數(shù)據(jù)，對參數(shù)進行辨識，計算模態(tài)頻率。

1.3 有限元建模

有限元建模使用的材料性能參數(shù)如表1所示。

其余連接件材料參數(shù)如表2所示。

2 結(jié)果與討論

2.1 CAD設計及鋪層設計

圖1為常規(guī)金屬引擎蓋內(nèi)外板示意圖?；谇捌贑AE設計結(jié)果、材料屬性和減重要求，確定碳纖維復合材料引擎蓋設計選擇如下：去除內(nèi)板加強板，保留車身鉸鏈，鉸鏈加強板，鎖扣加強板區(qū)域原金屬模型和材料。碳纖維復合材料引擎蓋整體設計如圖2所示。

圖3及圖4為碳纖維復合材料引擎蓋內(nèi)外板示意圖。碳纖維復合材料引擎蓋外板采用6層單向帶加最外表面一層斜紋織物的鋪層方案，總厚度1.62mm；碳纖維復合材料引擎蓋內(nèi)板采用4層單向帶，總厚度0.88mm。鋪層信息如表3所示。

根據(jù)復合材料的結(jié)構(gòu)特點在碳纖維復合材料引擎蓋內(nèi)外板添加折彎導潰區(qū)以及搭接區(qū)，其中導潰區(qū)為2層鋪層(4層減半)，搭接區(qū)為8層鋪層(4層對稱)，碳纖維復合材料引擎蓋內(nèi)外板示意圖鋪層次序以及各層角度如表3所示。

2.2 準靜態(tài)拉伸試驗結(jié)果與仿真

網(wǎng)格劃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網(wǎng)格形式?jīng)Q定，在劃分網(wǎng)格時應盡量避免使用小尺寸單元，這是由于小尺寸單元會極大降低時間步長，從而使模擬需要更長的時間。本文采用4節(jié)點積分單元，從而避免了特殊幾何模型導致的極限步長偏小的問題。

準靜態(tài)拉伸試驗和仿真數(shù)值對比如圖5所示，由圖5可知：仿真與試驗載荷位移曲線趨勢相一致；最大載荷非常接近，CAE分析值為37.24kN，試驗值為36.69kN，CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為1.50%；位移形變也較為接近，CAE分析值為3.14mm，試驗值為3.19mm，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.57%。試驗與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響較大，仿真分析模量基于固定載荷下的微小形變，而試驗采用載荷衰減失效方式計算。

2.3 準靜態(tài)三點彎試驗結(jié)果與仿真

準靜態(tài)三點彎試驗和仿真數(shù)值對比如圖6所示，由圖6可知：仿真彎曲與試驗載荷位移曲線趨勢相一致；U形梁的最大載荷非常接近，CAE分析值為3600N，試驗值為3594N，CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為0.17%；U形梁的位移形變也較為接近，CAE分析值為12.03mm，試驗值為11.87mm，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.34%。仿真與試驗出現(xiàn)偏差主要來源于兩方面：一方面，三點彎曲跨距值取決于樣板厚度，成型前后比復合材料板材厚度變化稍有差異，而仿真計算則通過單層層合板疊加鋪層，最終跨距計算存在誤差；另一方面，彎曲上下壓頭表面與測試樣板之間存在固有摩擦，屬于系統(tǒng)誤差。

2.4 模態(tài)及抗凹試驗結(jié)果與仿真

模態(tài)試驗設備一般包括激勵系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三部分，基本配置如圖7所示。

自由模態(tài)試驗的測試夾具如圖8所示，由圖8可知：發(fā)動機蓋處于關閉狀態(tài)，車身鉸鏈SPC1~6，鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸可繞y向旋轉(zhuǎn)；車身側(cè)支撐桿SPC1~6，鎖扣SPC23，內(nèi)板前端4個bumper點SPC3。在底部臺架安裝激勵，采集監(jiān)測點(3個)激勵響應。實際模態(tài)試驗3個監(jiān)測點響應曲線分別在37.5、37.0、38.0Hz第一次出現(xiàn)波峰。

碳纖維復合材料引擎蓋的模態(tài)試驗CAE仿真結(jié)果如圖9所示。基于CAE分析發(fā)動機蓋第一階彎曲模態(tài)頻率為37.7Hz。實際模態(tài)試驗3個監(jiān)測點響應曲線分別在37.5、37.0、38.0Hz第一次出現(xiàn)波峰，所以碳纖維復合材料引擎蓋實際模態(tài)試驗的第一階彎曲模態(tài)頻率為37.5Hz。碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析發(fā)動機蓋第一階彎曲模態(tài)頻率與實際第一階彎曲模態(tài)頻率的偏差為0.53%。

抗凹剛度試驗的測試夾具如圖10所示，按照圖10所示在外板關注點(P1至P7)上采用25mm×25mm的方形壓頭，垂直載荷150N然后對卸載的邊界條件進行約束。

碳纖維復合材料引擎蓋外板的抗凹試驗CAE仿真結(jié)果如圖11所示?；贑AE分析發(fā)動機蓋外板P4點位移CAE分析最大值為7.847mm，外板實際試驗P4點位移試驗最大值為7.57mm，CAE分析結(jié)果與實際結(jié)果的偏差為3.7%。

表4為碳纖維復合材料引擎蓋外板抗凹試驗7個點CAE分析結(jié)果與實際結(jié)果的對比。與試驗相比較，CAE分析結(jié)果相對偏小，最大偏差和最小偏差分別為39.2%(P1)和3.7%(P4)。試驗與仿真存在一定偏差的主要原因：仿真測試的固定較為理想化，而試驗中采用的聯(lián)合加載卡具存在螺栓滑絲因素，影響整體受力效果；另一方面仿真施加力過于理想，直接作用樣品，而試驗通過夾具與樣品之間的摩擦間接施加縱向彎曲力。

3 結(jié)語

本文采用概念設計、材料性能試驗和工藝設計多階段聯(lián)合優(yōu)化設計的方法，最終在滿足各種力學性能和制造工藝要求的前提下，實現(xiàn)碳纖維復合材料引擎蓋輕量化設計，通過相關模擬結(jié)果和設計試驗對比，結(jié)論如下。

(1)碳纖維復合材料在汽車引擎蓋的應用中，材料級試驗結(jié)果與仿真結(jié)果偏差較小：準靜態(tài)拉伸試驗—仿真的數(shù)值仿真與試驗載荷位移曲線趨勢相一致，最大載荷非常接近，碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為1.50%，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.57%；準靜態(tài)三點彎試驗和仿真數(shù)值對比類似，碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析最大載荷與實際最大載荷偏差為0.17%，CAE分析最大位移與實際最大位移偏差為1.34%。

(2)碳纖維復合材料引擎蓋的模態(tài)試驗CAE仿真結(jié)果表明，碳纖維復合材料引擎蓋CAE分析發(fā)動機蓋第一階彎曲模態(tài)頻率與實際第一階彎曲模態(tài)頻率的偏差為0.53%。

(3)與試驗相比較，碳纖維復合材料引擎蓋外板抗凹試驗7個點CAE分析結(jié)果相對偏小，最大偏差和最小偏差分別為39.2%和3.7%。試驗與仿真存在一定偏差的主要原因是：仿真測試的固定較為理想化，設計試驗載荷較為復雜。

作者：呂玥蒽，陳正國，程超，丁小馬，刁春霞，楊青

來源：《合成纖維》

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