碳纖維復(fù)合材料汽車引擎蓋的設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料汽車引擎蓋的設(shè)計(jì)張建國(guó) 1， 王天圣 2， 張錦光 2， 宋春生 2， 張強(qiáng) 2（1.江蘇省鷹游紡機(jī)有限公司科委，江蘇 連云港 222000；2.武漢理工大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，武漢 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 言汽車輕量化可以降低整車質(zhì)量，提高燃油效率，從而 降低成本。在各種輕量化材料中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是一種高強(qiáng)度復(fù)合材料。它的密度很小，比強(qiáng)度和比剛度高，此外還具有良好的耐熱性和抗酸堿腐蝕性，是一種發(fā) 展前景十分廣闊的輕量化材料，在汽車以及航空航天等 領(lǐng)域具有很大的發(fā)展空間。引擎蓋是最重要的車身覆蓋件之一，它在汽車上發(fā) 揮著不可替代的作用。根據(jù)剛度和模態(tài)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，采用 CFRP 來(lái)代替引擎蓋的內(nèi)外鋼板。1 碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的設(shè)計(jì)現(xiàn)有的汽車引擎蓋結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般采用“ 三 明治”結(jié)構(gòu)，即內(nèi)板和外板中間填充有隔熱材料的結(jié)構(gòu)形式。根據(jù)逆向設(shè)計(jì)的方法，保持原有的引擎蓋的形狀，簡(jiǎn) 化蓋上的飾物、內(nèi)板上的肋條，在允許的范圍內(nèi)增加各內(nèi) 外板和夾芯的厚度，采用 CAD 軟件來(lái)創(chuàng)建引擎蓋的模 型，如圖 1 所示。設(shè)計(jì)的碳纖維引擎蓋仍由 3 部分構(gòu)成：外板，內(nèi)板和 夾層材料。外板厚度和內(nèi)板厚度均為 1 mm，夾芯厚度為10 mm。選擇 T300 作為增強(qiáng)材料，綜合考慮成本和性能，選 擇國(guó)內(nèi)比較常見(jiàn)的 5208 環(huán)氧樹(shù)脂作為基體，夾芯材料選擇的是聚氨酯泡沫塑料（PUR），它是一種開(kāi)孔結(jié)構(gòu)熱固性泡沫塑料。2 引擎蓋彎曲剛度的仿真分析2.1 不同鋪層角度對(duì)彎曲剛度的影響 由于“三明治”結(jié)構(gòu)的內(nèi)外板可采用碳纖維復(fù)合材料制成，內(nèi)外板對(duì)稱鋪層。首先，采用同一角度討論不同鋪 層角度對(duì)彎曲剛度的影響，即外板的鋪層角度分別為0°/0°/0°/0°/0°，5°/5°/5°/5°/5°，90°/90°/90°/90°/90°， 引擎蓋模型的受載如圖 2 所示，為減少應(yīng)力集中對(duì)結(jié)果 的影響，將 200 N 的集中力分散到 5 個(gè)節(jié)點(diǎn)上。限制 A、B 兩點(diǎn)及兩點(diǎn)之間線的 X、Y、Z 方向的移動(dòng) 自由度和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，在引擎蓋的另一端中點(diǎn)處施加沿148機(jī)械工程師 2014 年第 11 期圖 1 碳纖維復(fù)合材料引擎蓋模型摘 要：樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度和比剛度高、密度小、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能。將其應(yīng)用于汽車引擎蓋， 在保證剛度等力學(xué)性能要求的前提下，能夠有效地減輕重量，實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的目的。文中選擇了合適的鋪層順序和鋪 層角度90°/45°/0°/- 45°/90°，優(yōu)化了鋪層方案，滿足了汽車引擎蓋的性能要求。從結(jié)構(gòu)方面對(duì)碳纖維復(fù)合材料汽車引 擎蓋進(jìn)行分析，指出其優(yōu)勢(shì)和不足，對(duì)包括引擎蓋在內(nèi)的汽車覆蓋件的設(shè)計(jì)具有積極的參考意義。 關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；引擎蓋；鋪層角度；鋪層順序中圖分類號(hào)：TP 391文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：10022333（2014）11014803制造業(yè)信息化仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP MANUFACTURING INFORMATIZATION 的剛度最大。90°鋪層時(shí)，所受的外載荷與正軸方向最為接近，因此產(chǎn)生的變形最小。2.2 不同鋪層順序?qū)澢鷦偠鹊挠绊?為研究鋪層順序?qū)澢鷦偠鹊挠绊?，選取一組鋪層角度：0°，±45°，±60°，內(nèi)外板鋪層關(guān)于中間夾層對(duì)稱，如采用0°/45°/-45°/60°/-60°的順序，其余鋪層順序再隨機(jī)組 合。根據(jù)仿真得出的數(shù)據(jù)，繪制不同鋪層方案下的變形量，如圖 5 所示。0.006 48123456789 10在同等約束和載荷下，混合鋪層的變形量小于以一種角度鋪層，混合鋪層時(shí)，大角度層靠近表層的鋪層方案 變形量會(huì)略小。綜上所述，為提高引擎蓋的彎曲剛度，應(yīng) 盡量選擇大角度層進(jìn)行鋪設(shè)，并采用混合鋪層的方案，角 度較大的層置于靠近表層。3 引擎蓋扭轉(zhuǎn)剛度的仿真分析3.1 不同鋪層角度對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響引擎蓋受扭轉(zhuǎn)時(shí)候，約束和力偶如圖 6 所示，A、B、C 三處的 X、Y、Z 方向的移動(dòng)自由度被限制，分別在 E、F 處 施加一對(duì)大小相等（100 N）方向相反的力這兩處的力構(gòu)成力偶，使得引擎蓋繞 Z 軸旋轉(zhuǎn)。Y 軸負(fù)方向大小為 200N 的力。當(dāng)鋪層方案為0°/0°/0°/0°/0°時(shí)，仿真得到的 Y 方向的位移如圖 3 所示。即在該鋪層方案下，引擎蓋上 Y 方向變形最大的點(diǎn) 處變形為 0.016 497 m。改變鋪層角度，得出不同鋪層角 度下的彎曲變形，將不同鋪層角度下受力的 Y 方向變形 最大,根據(jù)仿真數(shù)據(jù)，繪制不同鋪層角度下沿受力方向最 大變形的曲線如圖 4。B此種約束和載荷作用下。由圖 4 可以看出，隨著鋪層角度的增大，沿受力方向的變形呈現(xiàn)出先增大、再減小 的趨勢(shì)；而且當(dāng)鋪層角度小于 45°時(shí)，變形較大；當(dāng)鋪層角度超過(guò) 45°后，變形迅速減小，在鋪層角度為 90°時(shí)達(dá)到最小。由碳纖維的性能分析可知，正軸方向中沿纖維縱向當(dāng)采用同一角度鋪層時(shí)，若鋪層角度為 0°，仿真得引擎蓋繞 Z 軸的轉(zhuǎn)角如圖 7 所示。根據(jù)仿真得出的數(shù)據(jù)，繪制出扭轉(zhuǎn)角度隨鋪層角度 變化的曲線如圖 8 所示。通過(guò)圖像可以看出鋪層角度較小時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度較小，即抗扭剛度較大；但當(dāng)鋪層角度大于 30°時(shí)，扭轉(zhuǎn)角度經(jīng)149機(jī)械工程師 2014 年第 11 期沿受力方向的變形/m沿受力方向的變形/mA FCE圖 6 復(fù)合材料引擎蓋模型承受扭轉(zhuǎn)載荷0.0200.0180.0160.0140.0120.0100.0080.0060° 10° 20° 30° 40° 50° 60° 70° 80° 90°鋪層角度（/ °）圖 4 不同鋪層角度下沿受力方向最大變形曲線0.006 500.006 460.006 440.006 420.006 400.006 380.006 360.006 340.006 32鋪層方案圖 5 不同順序下沿受力方向最大變形曲線圖 2 引擎蓋模型承受彎曲載荷圖 3 鋪層角度為0°/0°/0°/0°/0°時(shí) Y 方向位移云圖制造業(yè)信息化 MANUFACTURING INFORMATIZATION 仿真 / 建模 / CAD/ CAM/ CAE/ CAPP變引擎蓋的形狀和厚度的前提下，選取的鋪層方案為90°/45°/0°/-45°/90°，內(nèi)外板的鋪層方案對(duì)稱，其他所有 的受載情況與之前相同，則有該鋪層方案下的變形和金 屬引擎蓋的變形如表 1、表 2 所示。表 1 鋪層方案90°/45°/0°/-45°/90°的變形受彎曲載荷時(shí) Y 方向變形/m 受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí) Z 方向的扭轉(zhuǎn)角度/rad0.005 8510.002 954表 2 金屬引擎蓋的變形受彎曲載荷時(shí) Y 方向變形/m 受扭轉(zhuǎn)載荷時(shí) Z 方向的扭轉(zhuǎn)角度/rad0.005 8790.00 272則通過(guò)對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)彎曲變形而言，碳纖維復(fù)合材料引擎蓋為 0.005 851 m，合 5.851 mm；原來(lái)的鋼制 內(nèi)外板引擎蓋為 0.005 879 m，合 5.897 mm，前者略勝， 但是二者相差不大。對(duì)扭轉(zhuǎn)變形而言，碳纖維引擎蓋為0.002 954 rad，鋼制引擎蓋為 0.002 72 rad，其差值轉(zhuǎn)化成 角度約為 0.01°，就引擎蓋的尺寸而言，這種差別很小。但 是需要注意的是，原有引擎蓋的厚度為 6.5 mm，而碳纖維 引擎蓋的厚度達(dá) 12 mm，大約是原來(lái)的 2 倍，但是減重幅 度卻達(dá)到原來(lái)的 40%。5 結(jié) 論 本文探討的引擎蓋板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)在內(nèi)外板的設(shè)計(jì)，即將原有的鋼制板替換成由碳纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料制成的板，探討碳纖維鋪層順序和鋪層角度對(duì)性 能影響。選一組較為良好的鋪層方案，與原金屬內(nèi)外板的引 擎蓋比較其彎曲、扭轉(zhuǎn)，發(fā)現(xiàn)這組鋪層方案與原引擎蓋性 能相當(dāng)，某些方面甚至優(yōu)于原有引擎蓋。由于碳纖維引擎 蓋進(jìn)行了加厚，所以體積是原有引擎蓋的 1.85 倍，但是減 重幅度達(dá)到 40%，顯示了碳纖維復(fù)合材料有高的比剛度 這一優(yōu)越性能。參考文獻(xiàn)1 潘玲玲.纖維復(fù)合材料典型車身覆蓋件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與試制D.上 海：同濟(jì)大學(xué)，2006.2 孫巖志. 汽車覆蓋件成形模擬及模具設(shè)計(jì)數(shù)字化系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)D.濟(jì)南：山東大學(xué)，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歷了一個(gè)先增大再減小的過(guò)程，但在總體上扭轉(zhuǎn)角仍較大。3.2 不同鋪層順序?qū)εまD(zhuǎn)剛度的影響同樣選取 0°，±45°，±60°來(lái)探討鋪層順序?qū)εまD(zhuǎn)剛度 的影響，根據(jù)仿真得到的數(shù)據(jù)，其變化的曲線如圖 9 所示。觀察以上數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)，方案 10 中的 Z 方向上最大扭轉(zhuǎn)角最大，為 0.1730°，方案 6 中 Z 方向上的扭轉(zhuǎn)角 最小，為 0.1677°，二者之差為方案 6 的 3.1%。之前單一角度鋪層時(shí)，最小的扭轉(zhuǎn)角度為15°/15°/15°/15°/15°方案的0.2886°，以上 10 種方案中最大的扭轉(zhuǎn)角都大。綜上所述，要提高扭轉(zhuǎn)剛度，因盡量使鋪層角度較 小。多種角度混合鋪層可以提高扭轉(zhuǎn)剛度。通過(guò)比較可以發(fā)現(xiàn)，改變鋪層順序，對(duì)引擎蓋的扭轉(zhuǎn)剛度影響不大。4 兩類引擎蓋的性能比較 根據(jù)以上對(duì)彎曲剛度，扭轉(zhuǎn)剛度的綜合考慮，在不改（編輯 黃 荻）161-166.!作者簡(jiǎn)介：張建國(guó)（1955），男，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械及碳纖維復(fù)合材料零部件的應(yīng)用； 王天圣（1990），男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘祭w維 復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)技術(shù)； 張錦光（1966），男，博士學(xué)位，教授，主要研究方向?yàn)榇?懸浮技術(shù)和復(fù)合材料零部件設(shè)計(jì)制造技術(shù)。通信作者：張錦光，jgzhang。收稿日期：2014- 07- 25150機(jī)械工程師 2014 年第 11 期Z 方向扭轉(zhuǎn)角度（/ °）Z 方向扭轉(zhuǎn)角度（/ °）0.1740.1730.1720.1710.1700.1690.1680.167123456789 10鋪層方案圖 9 不同鋪層順序下沿 Z 方向最大扭轉(zhuǎn)角度圖 7 鋪層角度為0°/0°/0°/0°/0°時(shí) Z 方向扭轉(zhuǎn)角云圖0.420.400.380.360.340.320.300.2810 20 30 40 50 60 70 80 90鋪層角度（/ °）圖 8 不同鋪層角度下沿 Z 方向最大扭轉(zhuǎn)角度