碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计

碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计张建国 1， 王天圣 2， 张锦光 2， 宋春生 2， 张强 2（1.江苏省鹰游纺机有限公司科委，江苏 连云港 222000；2.武汉理工大学 机电学院，武汉 430000）Design Study of CFRP CAR HoodZHANG Jianguo1， WANG Tiansheng2， ZHANG Jinguang2， SONG Chunsheng2， ZHANG Qiang2（1.Science Committee Lianyungang Yingyou Textile Machinery Co.，Ltd，Lianyungang 222000，China；2.Mechanical and Electrical Engineering, Wuhan University of Technology ,Wuhan 430000 ，China）Abstract： Carbon Fiber Reinforced Polymer （CFRP） has the characteristics of high specific strength and specific stiffness, light weight, high temperature resistance and corrosion resistance. It can reduce the weight of car bodies on the premisethat the stiffness and modal frequency meet requirements when it is applied to the engine hood. So it achieves the goal of the lightweight of automobile. The appropriate stacking sequence and ply angle 90 /45 /0 /-45 /90 are selected tooptimize the overlay solutions to meet the performance requirements of the car hood. The paper analyzes the CFRP hood from the aspects of structure. Its strengths and weaknesses are identified, which provides reference for the design choosing of automobile covering parts, engine hood included.Key words： CFRP； hood； ply angle； ply queue0 引 言汽车轻量化可以降低整车质量，提高燃油效率，从而 降低成本。在各种轻量化材料中，碳纤维增强复合材料是一种高强度复合材料。它的密度很小，比强度和比刚度高，此外还具有良好的耐热性和抗酸碱腐蚀性，是一种发 展前景十分广阔的轻量化材料，在汽车以及航空航天等 领域具有很大的发展空间。引擎盖是最重要的车身覆盖件之一，它在汽车上发 挥着不可替代的作用。根据刚度和模态的设计准则，采用 CFRP 来代替引擎盖的内外钢板。1 碳纤维复合材料引擎盖的设计现有的汽车引擎盖结构较为复杂，一般采用“ 三 明治”结构，即内板和外板中间填充有隔热材料的结构形式。根据逆向设计的方法，保持原有的引擎盖的形状，简 化盖上的饰物、内板上的肋条，在允许的范围内增加各内 外板和夹芯的厚度，采用 CAD 软件来创建引擎盖的模 型，如图 1 所示。设计的碳纤维引擎盖仍由 3 部分构成：外板，内板和 夹层材料。外板厚度和内板厚度均为 1 mm，夹芯厚度为10 mm。选择 T300 作为增强材料，综合考虑成本和性能，选 择国内比较常见的 5208 环氧树脂作为基体，夹芯材料选择的是聚氨酯泡沫塑料（PUR），它是一种开孔结构热固性泡沫塑料。2 引擎盖弯曲刚度的仿真分析2.1 不同铺层角度对弯曲刚度的影响 由于“三明治”结构的内外板可采用碳纤维复合材料制成，内外板对称铺层。首先，采用同一角度讨论不同铺 层角度对弯曲刚度的影响，即外板的铺层角度分别为0/0/0/0/0，5/5/5/5/5，90/90/90/90/90， 引擎盖模型的受载如图 2 所示，为减少应力集中对结果 的影响，将 200 N 的集中力分散到 5 个节点上。限制 A、B 两点及两点之间线的 X、Y、Z 方向的移动 自由度和转动自由度，在引擎盖的另一端中点处施加沿148机械工程师 2014 年第 11 期图 1 碳纤维复合材料引擎盖模型摘 要：树脂基碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、密度小、耐高温、耐腐蚀等优良性能。将其应用于汽车引擎盖， 在保证刚度等力学性能要求的前提下，能够有效地减轻重量，实现汽车轻量化的目的。文中选择了合适的铺层顺序和铺 层角度90/45/0/- 45/90，优化了铺层方案，满足了汽车引擎盖的性能要求。从结构方面对碳纤维复合材料汽车引 擎盖进行分析，指出其优势和不足，对包括引擎盖在内的汽车覆盖件的设计具有积极的参考意义。 关键词：碳纤维复合材料；引擎盖；铺层角度；铺层顺序中图分类号：TP 391文献标志码：A文章编号：10022333（2014）11014803制造业信息化仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION 的刚度最大。90铺层时，所受的外载荷与正轴方向最为接近，因此产生的变形最小。2.2 不同铺层顺序对弯曲刚度的影响 为研究铺层顺序对弯曲刚度的影响，选取一组铺层角度：0，45，60，内外板铺层关于中间夹层对称，如采用0/45/-45/60/-60的顺序，其余铺层顺序再随机组 合。根据仿真得出的数据，绘制不同铺层方案下的变形量，如图 5 所示。0.006 48123456789 10在同等约束和载荷下，混合铺层的变形量小于以一种角度铺层，混合铺层时，大角度层靠近表层的铺层方案 变形量会略小。综上所述，为提高引擎盖的弯曲刚度，应 尽量选择大角度层进行铺设，并采用混合铺层的方案，角 度较大的层置于靠近表层。3 引擎盖扭转刚度的仿真分析3.1 不同铺层角度对扭转刚度的影响引擎盖受扭转时候，约束和力偶如图 6 所示，A、B、C 三处的 X、Y、Z 方向的移动自由度被限制，分别在 E、F 处 施加一对大小相等（100 N）方向相反的力这两处的力构成力偶，使得引擎盖绕 Z 轴旋转。Y 轴负方向大小为 200N 的力。当铺层方案为0/0/0/0/0时，仿真得到的 Y 方向的位移如图 3 所示。即在该铺层方案下，引擎盖上 Y 方向变形最大的点 处变形为 0.016 497 m。改变铺层角度，得出不同铺层角 度下的弯曲变形，将不同铺层角度下受力的 Y 方向变形 最大,根据仿真数据，绘制不同铺层角度下沿受力方向最 大变形的曲线如图 4。B此种约束和载荷作用下。由图 4 可以看出，随着铺层角度的增大，沿受力方向的变形呈现出先增大、再减小 的趋势；而且当铺层角度小于 45时，变形较大；当铺层角度超过 45后，变形迅速减小，在铺层角度为 90时达到最小。由碳纤维的性能分析可知，正轴方向中沿纤维纵向当采用同一角度铺层时，若铺层角度为 0，仿真得引擎盖绕 Z 轴的转角如图 7 所示。根据仿真得出的数据，绘制出扭转角度随铺层角度 变化的曲线如图 8 所示。通过图像可以看出铺层角度较小时，扭转角度较小，即抗扭刚度较大；但当铺层角度大于 30时，扭转角度经149机械工程师 2014 年第 11 期沿受力方向的变形/m沿受力方向的变形/mA FCE图 6 复合材料引擎盖模型承受扭转载荷0.0200.0180.0160.0140.0120.0100.0080.0060 10 20 30 40 50 60 70 80 90铺层角度（/ ）图 4 不同铺层角度下沿受力方向最大变形曲线0.006 500.006 460.006 440.006 420.006 400.006 380.006 360.006 340.006 32铺层方案图 5 不同顺序下沿受力方向最大变形曲线图 2 引擎盖模型承受弯曲载荷图 3 铺层角度为0/0/0/0/0时 Y 方向位移云图制造业信息化 MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP变引擎盖的形状和厚度的前提下，选取的铺层方案为90/45/0/-45/90，内外板的铺层方案对称，其他所有 的受载情况与之前相同，则有该铺层方案下的变形和金 属引擎盖的变形如表 1、表 2 所示。表 1 铺层方案90/45/0/-45/90的变形受弯曲载荷时 Y 方向变形/m 受扭转载荷时 Z 方向的扭转角度/rad0.005 8510.002 954表 2 金属引擎盖的变形受弯曲载荷时 Y 方向变形/m 受扭转载荷时 Z 方向的扭转角度/rad0.005 8790.00 272则通过对比可以发现，对弯曲变形而言，碳纤维复合材料引擎盖为 0.005 851 m，合 5.851 mm；原来的钢制 内外板引擎盖为 0.005 879 m，合 5.897 mm，前者略胜， 但是二者相差不大。对扭转变形而言，碳纤维引擎盖为0.002 954 rad，钢制引擎盖为 0.002 72 rad，其差值转化成 角度约为 0.01，就引擎盖的尺寸而言，这种差别很小。但 是需要注意的是，原有引擎盖的厚度为 6.5 mm，而碳纤维 引擎盖的厚度达 12 mm，大约是原来的 2 倍，但是减重幅 度却达到原来的 40%。5 结 论 本文探讨的引擎盖板的结构设计，重点在内外板的设计，即将原有的钢制板替换成由碳纤维增强树脂基复合材料制成的板，探讨碳纤维铺层顺序和铺层角度对性 能影响。选一组较为良好的铺层方案，与原金属内外板的引 擎盖比较其弯曲、扭转，发现这组铺层方案与原引擎盖性 能相当，某些方面甚至优于原有引擎盖。由于碳纤维引擎 盖进行了加厚，所以体积是原有引擎盖的 1.85 倍，但是减 重幅度达到 40%，显示了碳纤维复合材料有高的比刚度 这一优越性能。参考文献1 潘玲玲.纤维复合材料典型车身覆盖件设计开发与试制D.上 海：同济大学，2006.2 孙岩志. 汽车覆盖件成形模拟及模具设计数字化系统的开发D.济南：山东大学，2009.3 Young W B. Thermal behaviors of resin and mold in the process of resin transfer moldingJ. Journal of Reinforced Plastics and Composites，1995，14（4）：310-331.4 Hayward J S，Harris B. The effect of vacuum assistance in resin transfer moulding J. Composites Manufacturing，1990（3）：0历了一个先增大再减小的过程，但在总体上扭转角仍较大。3.2 不同铺层顺序对扭转刚度的影响同样选取 0，45，60来探讨铺层顺序对扭转刚度 的影响，根据仿真得到的数据，其变化的曲线如图 9 所示。观察以上数据，可以发现，方案 10 中的 Z 方向上最大扭转角最大，为 0.1730，方案 6 中 Z 方向上的扭转角 最小，为 0.1677，二者之差为方案 6 的 3.1%。之前单一角度铺层时，最小的扭转角度为15/15/15/15/15方案的0.2886，以上 10 种方案中最大的扭转角都大。综上所述，要提高扭转刚度，因尽量使铺层角度较 小。多种角度混合铺层可以提高扭转刚度。通过比较可以发现，改变铺层顺序，对引擎盖的扭转刚度影响不大。4 两类引擎盖的性能比较 根据以上对弯曲刚度，扭转刚度的综合考虑，在不改（编辑 黄 荻）161-166.!作者简介：张建国（1955），男，高级工程师，主要研究方向为纺织机械及碳纤维复合材料零部件的应用； 王天圣（1990），男，硕士研究生，主要研究方向为碳纤维 复合材料零部件的设计技术； 张锦光（1966），男，博士学位，教授，主要研究方向为磁 悬浮技术和复合材料零部件设计制造技术。通信作者：张锦光，jgzhang。收稿日期：2014- 07- 25150机械工程师 2014 年第 11 期Z 方向扭转角度（/ ）Z 方向扭转角度（/ ）0.1740.1730.1720.1710.1700.1690.1680.167123456789 10铺层方案图 9 不同铺层顺序下沿 Z 方向最大扭转角度图 7 铺层角度为0/0/0/0/0时 Z 方向扭转角云图0.420.400.380.360.340.320.300.2810 20 30 40 50 60 70 80 90铺层角度（/ ）图 8 不同铺层角度下沿 Z 方向最大扭转角度