碳纤维复合材料汽车B柱加强板的轻量化设计研究

作     者：熊长丽 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：马芳武

授予年度：2018年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 

主      题：碳纤维复合材料 轻量化 B柱加强板 优化设计 

摘      要：碳纤维复合材料具有诸多优点,包括质量轻、比强度高、可设计性好等。与碳纤维复合材料在汽车覆盖件上的应用研究相比,其在车身结构件上的应用较少。B柱作为车身典型的结构件,其结构相对独立,但是该结构中经常装配多块加强板,不仅不利于轻量化,而且给车身设计和装配增加了复杂度,因此本文以B柱总成轻量化为研究目标,通过对金属B柱加强板等代设计为碳纤维复合材料的研究,对车身框架其他结构件的轻量化设计有借鉴意义。本文选择有代表性的车身主框架结构的B柱组件作为研究对象开展如下研究:分析碳纤维复合材料在汽车上的应用研究现状,探究复合材料的力学性能,单层板失效准则、复合材料层合板强度理论,为之后碳纤维复合材料汽车B柱加强板的设计、优化、分析以及验证提供理论基础。采用树脂传递模塑成型工艺(RTM)制作碳纤维复合材料层合板,根据ASTM标准对层合板进行力学性能试验,得到材料力学性能,包括拉伸模量、压缩模量、强度、泊松比等,为后续碳纤维复合材料有限元仿真分析提供材料参数。根据B柱结构的典型受力特点,确定总成的典型受力工况并求解其刚度,采用有限元方法对原车钢制总成进行分析,确定原车金属部件总成刚度,将其作为优化设计中的设计约束。对钢制B柱加强板进行拓扑优化,按等刚度原则设计出碳纤维复合材料结构,经尺寸优化、铺层次序优化对其进行优化设计,建立复合材料有限元仿真模型,在典型工况下比较原金属与碳纤维复合材料B柱组件的刚度性能。对比发现,优化后的碳纤维复合材料总成在保证不低于原钢制总成刚度的情况下,可减重达70%。对碳纤维复合材料加强板进行铺层设计,通过LS-DYNA软件对总成进行三点弯曲仿真实验,验证了碳纤维复合材料B柱的总成强度优于原钢制部件。使用真空导入成型工艺制作碳纤维复合材料加强板样件,对样件总成进行三点弯曲试验,验证了有限元仿真结果的准确性。通过对比已有的实车试验数据,验证了本文使用的整车模型的准确性。分析2018版新车碰撞评价规程与2015版的差异。通过整车侧面碰撞仿真,可以得到碳纤维复合材料B柱的侵入量与侵入速度较金属明显降低,乘员保护性能提升。本文通过对碳纤维复合材料B柱总成进行拓扑优化、尺寸优化、铺层次序优化,在保证结构强度刚度不降低的前提下,实现了轻量化的目的,为复合材料在轻量化设计中的应用提供了重要指导和参考。