碳纤维复合材料汽车B柱性能研究

摘 要：节能、环保和安全是汽车工业的发展方向，汽车轻量化是实现节能减排的重要手段。碳纤维复合材料的比强度和比模量高，密度仅为钢的1/5左右，在等刚度和或等强度下，碳纤维复合材料比钢可减重50%以上，比镁铝合金可减重30%左右，具有独特的轻量化效果，是实现汽车轻量化的理想材料。以汽车B柱为研究对象，基于经典层合板理论，采用 ABAQUS分析研究了碳纤维复合材料B柱的碰撞性能。研究结果表明，与金属材料汽车B柱相比碳纤维复合材料汽车B柱重量降低约33%，达到了较好的轻量化效果。同时碳纤维复合材料汽车B柱入侵量与吸能比金属材料小。

关键词：轻量化；碳纤维复合材料；性能；汽车B柱

1 概述

近年来，我国汽车工业得到了快速的发展，汽车产销量位居世界第一，汽车工业已成为我国经济发展的支柱产业。汽车给我们的出行带来了便利，但也造成了环境污染等问题。在全球温室效应、能源危机和环境污染等日益严重的情况下，节能与环保成为摆在世界各国面前最重要的命题[1]。目前，汽车行业面临的挑战是，为了汽车工业的可持续发展，必须减少环境污染、节约资源。为应对挑战各国都开始研究和开发新能源汽车，就现阶段技术而言，汽车轻量化是实现降低油耗和减少排放的有效途径。有试验表明，汽车总体重量减轻10%，可提高6%-8%的燃油效率。降低1%汽车重量可降低0.7%的油耗[2]。由此可见汽车轻量化对于节能与环保有显著效果，使其成为我国汽车行业大力发展的趋势。对于乘用车来说，车身占整车质量的40%-60%[3]，对于汽车油耗来说，约70%的油耗是用在了车身质量上，因而车身的轻量化对于整车的节能、减排具有更为显著的作用。

2 碳纤维复合材料汽车B柱模型建立

文章采用等代设计方法建立碳纤维复合材料汽车B柱模型，通过Hypermesh对B柱模型完成几何清理并采用四面体单元划分网格，网格大小10mm。将画好网格的B柱导入ABAQUS进行碰撞分析。

碳纤维复合材料B柱铺层方式为[0/45/90/-45]，铺层层数为18层，每层厚度0.33mm。复合材料单向层合板的力学性能如表1所示。其中p为密度，E1、E2分别为单向层合板的纵向、横向弹性模量，u12为泊松比，G12为剪切模量，Xt、Xc为纵向拉伸、压缩强度，Yt、Yc为横向拉伸、压缩强度，S为剪切强度。

3 碳纤维复合材料汽车B柱性能分析

以碳纤维复合材料汽车B柱的质量、入侵量、吸能为响应分析碳纤维复合材料汽B柱的综合性能。并与金属材料汽车B对比分析，与金属材料汽车B柱相比碳纤维复合材料汽车B柱重量降低约33%，最大入侵量比金属材料汽车B柱小12%，吸能效果也比金属材料汽车B柱好。

参考文献

[1]马鸣图，易红亮，路洪洲，等.论汽车轻量化[J].中国工程科学，2009，11（9）：20-27.

[2]Joseph C， Benedyk K. Light metals in automotive applications[J].Light Metal Age，2000，10（2）：34-35.

[3]黄天泽，黄金陵. 汽车车身结构与设计[M].北京：机械工业出版社，1997：1-2.

作者简介：侯凡龙 （1989，8-），汉族，武汉理工大学硕士研究生，研究方向：碳纤维复合材料汽车零部件。