摘要：对碳纤维复合材料力学性能及结构设计要求进行简单论述，以汽车前车门为研究对象进行碳纤维结构设计及铺层形式进行研究。经仿真分析，碳纤维前车门的模态、刚度、强度、碰撞侵入量和速度均得到了明显的提升，并且重量降低了54.94%。
引言
汽车轻量化作为有效的节能和环保措施，在未来十年来成为汽车行业大力发展的趋势，其中碳纤维复合材料在轻量化上有极大的优势将作为节能和新能源汽车领域的重要发展方向。
1 碳纤维复合材料力学性能
新材料碳纤维具有优异的力学性能，较高比重、强度和模量，在满足相同性能下，具有较大的减重空间，同时也可减少装配零件数量。在碳纤维结构分析中，定义任一层压板的力学性能，都能表示成等价的均匀各项异性板元或壳元，运用层压板的中面应变和曲率理论确定各层的应力。
2 碳纤维复合材料汽车前车门设计
碳纤维复合材料在汽车车门中已开始应用，通过结构设计和铺层优化在满足性能和装配的前提下可实现车门大幅减重。技术方案为内外板集成部分零件，简化结构特征，取消工艺孔，实现减重目的。
2.1 碳纤维复合材料前车门外板设计
整合前车门外板总成，外板A面和周边配接的安装孔不变，外层织物单层厚度0.21mm，其余单向带单层厚度0.145mm。遵循铺覆对称，外板铺层±45°，成对出现，单层数不超总层数60%原则。主外板铺层为[±45/45/0/-45/90/-45/0/45]；门把手处铺层为 [±45/45//-45//-45//45]；周边密封处铺层为[±45/45///90///45]，如图 1 所示。
图1 复合材料内板设计
2.2 碳纤维复合材料前车门内板设计
碳纤维复合材料车门内板主厚度为2mm，在卡扣接面、门锁安装面等处减薄；保留定位孔、安装孔、过孔、安装面不变；内板与外板胶粘处增厚处理；简化内板结构，优化铺覆性；门锁、铰链和限位器加强板集成到内板一体成型；复材窗框加强板胶粘内板。
图2 前车门复材内板一体成型及局部变厚度设计
内板多种铺层厚度，单层厚度0.145mm，各铺层为：灰色[-45/0/45/90/45/0/-45]s共14层2.03mm厚；粉红色[-45/0/45/90/45//-45/-45/0/45/90/45/0/-45]共13层1.885mm厚；大红色[-45/0/45/90/45//-45]s共12层1.74mm厚；深蓝色[-45/0///45//-45]s共8层1.16mm厚；绿色[-45/0//90/45/////45///0/-45]共7层1.015mm；橘黄色[-45////45/0////45////-45]共5层0.725mm；黄色[-45////45///]s共4层0.58mm。车门总成重量8.21kg，减重10.01kg，减重比54.94%，达到轻量化设计目的。
3 碳纤维复合材料汽车前车门性能分析
通过传统前车门各工况的性能结果，确定碳纤维复合材料车门需要达到的力学性能。
3.1 建立碳纤维复合材料汽车前车门有限元模型
通过hypermesh软件建立前车门有限元模型，采用分块处理不等厚模型，各区块Prop属性输入铺层信息和材料信息。
表1 复合材料单向带性能表
3.2 碳纤维复合材料汽车前车门模态分析
汽车前车门的模态分析主要考察一阶弯曲和扭转模态频率内外板局部模态，避免发生模态耦合。
图3 碳纤维复合材料前车门自由模态云图
图4 碳纤维复合材料前车门约束模态云图
如表2，从分析结果可知复材方案结构在自由模态和约束模态下各考查模态满足性能要求。
表2 前车门模态分析结果表
3.3 碳纤维复合材料汽车前车门刚度分析
汽车前车门应有足够的刚度，避免出现大的变形而影响密封性。前门刚度分析为垂直、扭转、窗框、腰线载荷下的静刚度，分析结果如图5和表3所示。
从分析结果可知，复材方案各项刚度性能均强于金属车门，能够满足性能要求。
图5 碳纤维复合材料前车门各位移刚度云图
3.4 碳纤维复合材料汽车前车门强度分析
前车门结构的静态强度分析为验证前车门结构的可靠及耐久性能，通常为过开和下垂静强度分析。
（1）碳纤维复合材料汽车前车门过开静强度分析
截取白车身模型，全开66度；约束截面和炮塔处SPC1-6；首先加载车门自重G分析，其次保持自重G，锁扣处沿外板面垂向加400N力分析，再次保持自重G，卸载锁扣处力卸载分析。
图6 碳纤维复合材料前车门过开静强度位移云图
表4 前车门过开静强度分析结果表
（2）碳纤维复合材料汽车前车门下垂静强度分析
截取白车身模型，车门微开15°和全开66°工况；约束截面和炮塔处SPC1-6，锁扣处外板垂向自由度；首先加载车门自重G分析，其次保持自重G，锁扣处Z向加1000N力分析，再次保持自重G，卸载锁扣处力卸载分析。
图7 碳纤维复合材料前车门开启15°下垂位移云图
表5 前车门下垂静强度分析结果表
从分析结果可知，复材方案过开和下垂静强度性能均强于金属车门，能够满足性能要求。
3.5 碳纤维复合材料汽车前车门侧面碰撞分析
整车侧面碰撞按C-NCAP2018新版碰撞法规进行，质量1400kg台车、速度50km/h的大臂障侧面碰撞，考察假人肋骨（1-9点）、腹部（10-13点）和盆骨（14-15点）在车门内板对应点的侵入量和侵入速度。
从表6可见，碳纤维复合材料侧面碰撞可以达到金属侵入量和侵入速度性能要求，满足C-NCAP2018版侧面碰撞法规要求。
表6 前车门侵入量和侵入速度结果表
4 结束语
本文对碳纤维复合材料力学能行进行了简要论述，然后根据碳纤维的特点设计不等厚的碳纤维复合材料前车门总成，并对其进行模态、刚度、静强度、侧碰安全方面进行性能分析，达到减重54.94%的轻量化效果，实现了碳纤维复合材料设计目的要求。
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