纤维增强复合材料在汽车覆盖件中的应用

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20190202

摘要/Abstract

摘要：

采用碳纤维和玻璃纤维两种增强材料与环氧树脂基体材料，对汽车发动机罩进行了铺层结构设计、样件制造和性能对比分析。研究表明：纤维增强发动机罩在满足刚度、模态要求的同时能有效减轻质量，实现发动机罩减重51.2%。在不同工况下，将发动机罩自由模态、横向弯曲刚度、扭转刚度的仿真结果与试验结果和原钢制件发动机罩性能进行了对比，验证了设计的有效性。对复合材料发动机罩铺层优化设计进行了研究，通过优化发动机罩质量相对于初始设计减重9.7%，充分发挥了纤维复合材料在汽车轻量化方面的优势。

关键词: 车辆工程, 纤维复合材料, 轻量化, 发动机罩, 优化设计

Abstract:

In this study, carbon fiber and glass fiber reinforced materials and epoxy resin matrix materials were used to design the layer structure of automobile engine hood. Sample of automobile engine hood is manufactured and comparative analysis of its performance is conducted. The results show that the fiber reinforced engine hood can not only meet the requirements of stiffness and modal, but also effectively reduce the weight of the engine hood. Under different working conditions, the simulation results of the free modal, transverse bending stiffness and torsional stiffness of the engine hood were compared with the experimental results and the performance of the original steel engine hood, which verified the effectiveness of the design. The optimization design of the composite engine hood was further studied. Compared with the initial design, the weight of the engine hood was further reduced by 9.7% through optimization. The design gives full play to the advantages of the fiber composite material in automobile lightweight.

Key words: vehicle engineering, carbon fiber reinforced composite, lightweight, engine hood, optimization

中图分类号:

U465.6

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图/表 21

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参考文献 14

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参数	单向碳纤维预浸料	单向玻璃纤维预浸料	玻璃纤维编织布
ρ/10^-9(T·mm^-3)	1.45	1.7	1.7
E₁/MPa	132 525	47 000	47 000
E₂/MPa	8 440	16 400	47 000
G₁₂/MPa	4 219	6 000	26 000
υ₁₂	0.336	0.28	0.28
G₁₃/MPa	4 219	6 000	11 000
G₂₃/MPa	3 200	5 200	11 000
S_T1/MPa	2 141	1 139	1 139
S_T2/MPa	40.4	63	1 139
S_C1/MPa	1 083	1 113	1 280
S_C2/MPa	103.9	238	1 280
S₁₂/MPa	117	107	115

项目	仿真值（复合材料）	试验值（复合材料）	钢制件（试验结果）	试验值与钢制件对比/%
发动机罩质量/kg	10.0	10.0	20.5	-51.2
横向刚度/（N·mm^-1）	337.8	369.9	243.9	51.6
扭转刚度（中间约束）/（N·mm^-1）	25.3	24.5	10.4	135.6
扭转刚度（边约束）/（N·mm^-1）	6.85	7.24	15.9	-54.4
一阶整体扭转模态/Hz	34.0	29.9	14.7	103.4
一阶整体弯曲模态/Hz	49.2	41.8	25.0	67.2
表面刚度	无失稳，未出现不可修复性凹坑	无失稳，未出现不可修复性凹坑	无失稳，未出现不可修复性凹坑	表面刚度均满足要求

参数	优化前（有限元仿真结果）	优化后（有限元仿真结果）	优化前、后对比/%
发动机罩质量/kg	10.0	9.03	-9.7
横向刚度/（N·mm^-1）	337.8	310.7	-8.0
扭转刚度(中间约束)/（N·mm^-1）	25.3	22.3	-11.9
扭转刚度(边约束)/mm	6.85	7.1	3.6
一阶整体扭转/Hz	32.0	34.6	8.1
一阶整体弯曲/Hz	49.2	51.2	4.1
表面刚度	无失稳和不可修复凹坑	无失稳和不可修复凹坑	表面刚度均满足要求