英语原文共 8 页
电动汽车碳纤维物质复合车身结构的轻量化设计
刘强，林周勇，宗子健，广州市中山大学工程学院510006
孙广勇，湖南大学车身先进设计制造国家重点实验室，长沙410082
李晴，新南威尔士悉尼大学航天，机械，机电工程学院 2006年 澳大利亚
摘要
复合材料的设计由于其微观结构的异质性和行为的复杂性，显得比金属材料具有更大的挑战性。本文旨在开发一种多尺度AP。 为预测碳斜纹织物复合材料的三维弹性模型提供了理论依据，可用于电动汽车车身结构的耐撞性分析。几何参数通过光学显微镜对T 300碳斜纹组织织物复合材料的微观结构进行了测量，得到了米。层合板中典型体积单元(RVE)的有限元模型 使用均匀化技术建立了复合材料的弹性特性的复合材料。将性能的数值结果与单轴拉伸的数值结果进行了比较。 和三点弯曲试验。最后，采用该复合材料本构模型对汽车车身结构在车顶碰撞和侧杆冲击下的耐撞性分析。 研究表明，用弹性特性计算层合板的变形行为与拉伸和弯曲实验结果吻合较好，且相对误差最大。 ORS分别为4.04%和7.79%。同时，碳斜纹组织织物复合材料与其前身玻璃纤维增强薄膜相比，可节省28%的体重。
关键词
碳纤维复合材料，轻量级，多尺度方法，耐撞性
1.导言
随着人们对节能和环保的日益关注，电动汽车的发展也在加快。目前，电动汽车在不充电的情况下行驶的范围并不理想，主要是由于储能能力的限制。为了最大限度地减少能源消耗，轻量级已经成为一个关键问题，因为，除了电池容量，重量是限制范围的一个关键因素。车辆越轻，行驶的距离就越长。轻量化设计一般可以从新材料的应用、结构优化和先进的加工 技术三个方面进行，其中新型材料的应用被认为是最有效的方法。
复合材料以其重量轻、强度高、耐腐蚀、易于制造等优点在汽车工业中得到越来越广泛的应用。作为一种典型的复合材料， 玻璃纤维增强塑料(GFRP)已被广泛应用于减轻车辆结构的重量。例如，Coobus是使用Tillotson公司的编织玻璃/聚丙烯复合材料开发的。 皮尔逊公司，这导致超过30%的重量比传统的金属客车[2]。事实上，GFRP已广泛应用于屋门、楼板、车身面板、框架等领域。 分段，电池进入门，和座椅系统的重量节省从40%到60%，同时保持甚至改善性能相比，传统的金属部件[3-7]。
碳纤维增强塑料(CFRP)作为其他一类复合材料，在近十年来在众多先进的耐撞性应用中得到了越来越广泛的应用。在这方面，Mamalis等人。[8]对碳纤维薄壁管的耐撞性进行了系统的试验研究，发现纤维增强层的应变速率和布置、纤维体积含量和管壁厚度对复合材料的耐撞性有很强的影响。Yang等人[9]探讨了方形CFPR管的吸能性能，将三维编织纺织作为纤维的一种增强形式。他们认识到复合角在增强能量吸收方面所起的主要作用。Postec等人[10]确定了层间界面数目对轴承失效和耐撞性的影响。Bambach等人[11]在比能量吸收(SEA)方面，钢-CFPR管超过了纯钢-CFPR管。Ghasemnejad等人[12]研究了斜纹组织和单向碳纤维复合材料层合复合材料的耐撞性和破坏模式。黄等人[13]调查 CFRP参数对帽形截面构件吸能特性的影响。最近，Obradovic等人。[14]探索不同CFRP STR的能量吸收特性 结构采用数值和实验方法，并确认了根据失效准则发挥的主要作用。
与GFRP相比，碳纤维增强塑料具有密度低、比强度高、抗冲击性能好等特点，在高档跑车和高级跑车中得到了广泛的应用。 CED电动汽车。Murcielago提供了一个完整的碳/环氧车身(保险杠、挡泥板、引擎盖等)，与其前身“暗黑破坏”相比，其重量减少了75磅或34公斤(约40%)。 不，用全铝车身[15]。宝马公司通过开发CFRP乘客电池继续其对Megity电动汽车的创新，该电池为额外电池减少了100公斤的体重[16]。贝西 DES，在Superbus电动汽车项目中，车身结构采用CFRP制成，并进行了优化，以达到最小重量[17]。然而，上述关于EV的大部分作品都是 最后的剖面数据显示，对于电动汽车车身结构的CFRP设计缺乏详细的报道。本文的目的是开发一种用于电动汽车的轻型cfp结构，该结构采用碳斜纹编织法。 与单向复合材料相比，BRIC复合材料具有良好的抗冲击性能和良好的成形性。提出了一种多尺度方法来构造三维实体。 对材料弹性模型进行了预测，并验证了电动汽车车身宏观结构的耐撞性。
2.轻量化设计与材料
2.1设计
特别要注意的是使电动汽车的结构适应相当大的，沉重的电池单元和特殊的驱动电子元器件。与汽车结构不同的是新型电 如图1所示，车辆体系结构可以分为三个独立模块，即驱动模块、保护模块和车身模块。驱动模块的主要部分是铝。 M底盘，电池单元，碰撞元件，驱动和悬挂系统。主体模块在吸收由夹层材料构成的碰撞能量中起着关键作用。因为电的空间 车辆比传统汽车大，这些空间可分为若干吸能块。保护模块主要由高强度、轻质乘客C组成 是由CFRP制成的。其安装在驱动模块的承载结构上,并与驱动模块相互加强以提高框架的强度。因为保护模块是ESS, 为了确保司机和乘客的安全，在发生撞车事故时，应该有足够的强度和可靠性。CFRP保护模块设计经验不足 ，本研究将提出一种多尺度设计方法。采用多尺度方法设计了电动汽车车身结构[18，19]。图2显示了车辆设计的方法框架。 AT涉及材料特性表征(微观尺度)、验证(中尺度)及其在耐撞性分析(宏观尺度)中的应用。在微观层面上，一个三维的( 对具有纤维束详细结构的具有代表性的单元进行了建模，并对材料的弹性进行了表征。弹性模式在中尺度上被进一步应用于计算。 层合板变形，通过单轴拉伸和三点弯曲试验验证了计算结果。在验证后，将弹性模型应用于飞机的耐撞性分析。 电动汽车车身结构的宏观层次。因此，从微尺度到宏观尺度提出的多尺度方法有望提高织物的分析和设计的准确性。 结构对复合材料的力学性能有很大的影响，而力学性能则影响碳纤维复合材料结构的强度和破坏机理[20]。
2.2复合材料的微观结构
T 300碳斜纹组织织物由于其在织物平面上具有平衡的双向性能，使其具有更高的比刚度、强度、稳定性和韧性，因此被选择用于车身结构的设计。然而，由于复杂的微结构，很难确定这些力学性能。本文采用基于单元有限元分析(FEA)的均匀化方法对三维弹性张量进行了研究。
图1 提出了一种新颖的电动汽车三模块体系结构。
图2 车身结构设计的多尺度方法
试样由T 300碳斜纹组织织物/环氧树脂618制成，并从试样中提取具有代表性的单元格。单元的选择是非常重要的，其驱动模块、保护模块、车身模块如图1所示。提出了一种新颖的电动汽车三模块体系结构。232 Q.Liu等。/综合结构97(2013)231-238应能在三个方向重复。用光学显微镜可以测量单位晶胞的详细显微结构。根据微观几何参数，识别经纱和填充纱，并在纤维束间隙填充基体材料，如图3所示。
为了详细描述具有代表性的单元，在分区abcd的横截面图中识别了一些几何参数，如图3a和b所示。 BF，BW，纱宽af，aw，和纱对纱间隙gf，gw，其中下标f表示纱线的填充方向，下标w代表纱线的经纱方向，如表1所总结。这是一个 总结出纱线的横截面由椭圆弧定义，其长轴为a.环氧基体包裹纱线纤维，填充纱线交叉口边缘的空隙，这不是。 如图3B所示。层合板厚度为0.45mm，纤维体积分数为70.96%。纱线和树脂的性能列于表2[21]。
图3 织物复合材料模型：(A)微结构表征体元(Rve)和(B)结构参数
3.材料性能表征
3.1材料弹性模型
本研究采用均匀化的方法，在显微镜下将复合材料的基材视为均质材料。阐述了三维体复合材料的本构关系。 SED的形式如下：
其中，Rij和EIJ是宏观应力应变张量，S称为柔度矩阵。考虑到S的对称性，可以得到以下方程：
（3）
为了确定弹性系数SIJ，我们在特定的曲面上只应用了一个常数的非零位移分量，并在有限元模型中对其他曲面施加了相应的相容约束。数值计算结果表明，在以下边界条件下，节点在不同方向的力是可以求解的。因此，平均宏观应力Rij是由适当的表面上的节点力计算的。该程序称为均质化程序。表3总结了六个不同的边界条件。共有九个公式，包括表3中的六个不同边界条件和方程中的三个关系。(3)确定了9个材料参数。
为了解释均匀化过程，本文以Ex的计算为例。参考图4，考虑了长度l和厚度ht的正方形单元格。只有一个常数x- 在x=1处对边界上的所有节点施加方向位移DL，而在x=0处约束边界上节点的x方向位移。y和z方向位移 x=0和x=l区域的节点t不受模型约束。对于其他四个曲面(y=0，y=l，z=0和z=ht)，同一曲面的法向位移耦合在 为了避免不适当的偏差。力学模型如图4A和b所示。通过有限元分析，得到了在x=l区域内的节点力。然后v 基于Eq可以计算单元的宏观应力Rx值。(4)。同时，可以很容易地得到单位细胞的x向应变(ex=DL/l).根据Eq的说法。(5)可 被激活了。在考虑y方向收缩的情况下，可以得到基于方程的泊松比mxy.(6)。
通过上述步骤，可以计算出三维弹性模型中的其他材料参数，如表4所示，并与文献[21]进行了比较。可能是 杨氏模量和剪切模量与文献[21]比较接近，厚度方向的模量是强制的。采用均质化程序后再求出所有的柔度系数，从而得到关系式。(1)和(2)确定。
3.2实验验证
为验证基于有限元均匀化的材料弹性模型，在3.1节中进行了拉伸和三点弯曲试验。这些试验是在 他在室温下没有5305装载机。在拉伸试验中，采用13桩T 300纤维和618树脂制成的斜纹织物复合层压板进行中尺度试件， 厚度为3.25mm。在测试过程中，仪器被用来记录载荷和位移。还进行了三点弯曲试验，准备了两组试件。 E由厚度为3.75mm的15桩T 300纤维和618树脂制成，另一种为10桩T 300纤维和厚度为2.5mm的618树脂。同时，进行了数值模拟。 在相同的条件下，使用表4给出的材料参数对这些试样进行了表征。文中给出了拉伸和弯曲的实验和数值试验。 图5A和b。在图6中对这两种试验的力-位移曲线进行了比较.
如在图1中。6a，可以看出，实验和数值拉伸试验的力-位移曲线非常接近。基于力和位移数据，杨氏模量可以是C 从实验中计算出53.69GPa,仿真结果为51.52GPa,相对误差为4.04%。图6B比较三点弯曲试验的力-位移结果。 ENT和模拟。对3.75mm厚度试样，平均误差为3.69%，对2.5mm厚度试样，平均误差为7.79%。薄试样的平均误差较高的是m。 这是因为它在加载过程中有更大的滑动，而在仿真中没有考虑到这种影响。总体上，有限元分析预测的响应与EXPER的预测结果基本一致。 实验结果表明，本文提出的材料弹性模型表征方法是可行的，预测的本构模型可用于抗撞性分析。
图4复合材料性能的材料表征：(A)力学模型，(B)单轴拉伸试验模拟，(C)力与位移的拟合曲线。
图5 试验和数值试验原理图：(A)单轴拉伸试验和(B)三点弯曲试验
图6 试验和数值试验的力-位移曲线比较：(A)单轴拉伸试验和(B)三点弯曲试验。
4.结构耐撞性分析
4.1屋顶耐撞分析
对碳纤维复合材料车身结构的抗撞性能进行了进一步的有限元分析。仿真是根据联邦机动车S进行的。 安全标准第216号(FMVSS 216)[22]。FMVSS 216将屋顶结构的强度与在现实世界中的侧翻事故中的乘员保护联系起来，要求屋顶的最大移动距离st。 结构小于127毫米(5英寸)当诱导载荷为车辆重量的1.5倍时。由于人体结构的拓扑结构复杂，很容易失去一些拐角处。 从Pro/Engineer直接导入LS-dyna的曲面功能。本研究首先将车身结构的几何模型引入超网格，并将破损的表面修复到ens中。 连续转角过渡。然后，整个结构是使用一个完全集成的线性壳单元(公式16)的大小为25，25毫米。一些小的元素可以调整为IMP。 最终模型由25，918个元素和25，843个节点组成。其次，将仿真模型导入ls-dyna中，用mat54材料模型进行建模。 用6根桩(厚度为1.5mm)定义斜纹组织复合材料的材料性能，并采用最大应力准则确定材料的破坏程度。最后，DIS 根据CFRP车身与铝底盘的装配关系，在模型中引入位置约束和速度。位移约束施加在前面，ba。 结构的CK和底部，当碰撞速度施加在顶部刚性测试压板上时，测试压板的表面沿车辆的纵向轴线和25R以5间距定向。 按照FMVSS 216沿车辆的横轴行驶，如图7所示。
在刚性试验板的顶部施加碰撞速度。如图8所示，随着刚性试验板的向下移动，顶部接触反作用力将随着位移的增加而逐渐增大。电动汽车的重量为1100公斤，结构分析将决定其运动。刚性试验板的反作用力达到重力的1.5倍(即16，170 N)时的距离。
在刚性试验板的反作用力-位移曲线中，当反应力达到16，170 N时，试验板的位移为59.8mm。 编号127毫米的FMVSS 216要求。作为比较，其他材料，GFRP，也适用于相同结构和厚度的车身结构。如图8所示， 在武力不能达到16，170 N，甚至刚性测试平台移动超过127毫米在这种情况下
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