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碳纤维复合材料在汽车碰撞安全上的应用
2021-08-27 22:55:45· 来源：上汽安全与CAE技术
碳纤维复合材料英文名称为：Carbon FiberReinforced Plastics，简称为：CFRP。主要由碳纤维和树脂等基体制作而成的含碳量高达90%以上的复合材料，其密度约为1.4~
碳纤维复合材料英文名称为：Carbon FiberReinforced Plastics，简称为：CFRP。主要由碳纤维和树脂等基体制作而成的含碳量高达90%以上的复合材料，其密度约为1.4~2g/cm3，如图1~图3所示，仅为普通钢材的1/4，甚至也只有铝合金的2/3，而其强度却可以达到钢的7倍以上。在现存所有的汽车用工程材料中，碳纤维复合材料堪称完美的工程材料因具有超高的比强度、比模量、比吸能等突出性能，同时拥有良好的抗疲劳性、耐腐蚀性，零件使用寿命高等突出优点，同时满足了汽车安全性能的提升和轻量化设计需求，具有无可比拟的先天优势，无疑是最为优秀、最具有发展前景的复合材料。
图1
图2
图3
一、CFRP在汽车碰撞安全设计中的应用前景：
前后碰撞：CFRP因其具有高强度、高刚度的特点，在吸能效率方面具有明显的优势，在受到前后碰撞过程中，CFRP经过基体损伤、纤维断裂等一系列的过程吸收带走大量的能量，在承受相同程度的变形甚至断裂破坏的环境下，与其它钢材、铝材等材料部件相比，能量吸收效率可以达到钢和铝合金的4、5倍。如图2所示的雷克萨斯LFA超级跑车纵梁前端，在前缓吸能区采用CFRP作为碰撞吸能盒，极大的提高了正面碰撞第一阶段的材料变形吸能，有效的降低了车身有效减速度，从而降低了乘员舱侵入量以及假人伤害。
图4（图片来源于Euro Car Body）
侧面碰撞：在侧面柱碰和侧面壁障碰撞中，如图5所示的宝马7系车身，在主要传力支撑路径上（如B柱加强板、门槛加强板、侧围上边梁内加强板、顶棚横梁等）采用碳纤维复合材料的零部件可以有效的提高侧面的抗撞击性能，提高乘员舱的乘员生存空间和完整性，有效的降低乘员伤害，保证碰撞安全性能。在侧面撞击过程中，传统的钢结构零部件由于受到局部集中冲击，不可避免的产生局部凹陷、弯折的现象，大大降低了乘员舱的空间，不利于乘员安全保护。CFRP由于自身固有的材料属性、力学性能，即使出现局部的变形失效，仍然可以进行力的传递，避免出现如图6所示局部凹陷、弯折，大大提高了零部件的抗冲击性能，有利的保护了乘员空间。
图5（图片来源于Euro Car Body）
图6
二、碳纤维复合材料数值模拟：
在LS-DYNA求解器中提供了诸多针对复合材料的本构模型，依据失效基准的差异，主要分为渐进损伤和连续损伤两大类：其中以渐进损伤力学为基准的有MAT22、MAT54、MAT55等，以连续损伤力学为基准的有MAT58、MAT261等。研究显示，复合材料采用渐进损伤力学模型，以强度作为材料失效准则，在仿真模拟复合层板的失效和损伤时，有着较高的精度，对复合材料的结构力学分析具有突出的指导作用。在碳纤维复合材料的有限元分析中得到广泛的应用。其中MAT54（*MAT_ENHANCED_
COMPOSITE_DAMAGE）号材料采用Chang-Chang失效准则，这种以连续损伤力学为基准的材料本构模型以应力作为判定表达式，对于薄壁壳单元的数值模拟精度很好，在汽车碳纤维复合材料的仿真中得到更多的青睐。材料卡片如图7所示。
图7
CFRP的仿真建模是由多层各向铺叠而成，由关键字*PART_COMPOSITE用来定义各层的材料、厚度、角度等。如图8所示。
图8
三、CFRP在汽车前地板总成的应用：
如图9所示，为同时满足轻量化设计要求和碰撞安全性能需求，采用CFRP新材料替代原有的金属材料重新设计前地板，并验证整车碰撞侧面工况安全性能（注：前地板的设计变更主要影响侧面工况性能）。
图9
侧面柱碰：Steel和CFRP两种状态的前地板侧面柱碰B柱最大倾入量结果如图10所示，由此可知，在侧面柱碰工况中，两种状态的前地板B柱最大倾入量基本一致，满足性能目标。
图10 侧面柱碰B柱最大倾入量
侧面碰撞：Steel和CFRP两种状态的前地板侧面可变性壁障碰撞B柱最大倾入量结果如图11、图12所示，由此可知，在侧面可变性壁障碰撞中，采用CFRP前地板B柱最大倾入量小于原金属材质前地板，B柱上、中、下三处的倾入速度基本一致，满足性能目标。
图11 侧面碰撞B柱最大倾入量
图12 侧面碰撞B柱上中下最大倾入速度
综上所述，在碰撞安全性能保持一致的情况下，采用CFRP的前地板相较于金属前地板仍减重了41.9%，由此可见，碳纤维复合材料在轻量化和安全性能设计过程中具有巨大的潜力。碳纤维复合材料因其优异的性能，在新能源汽车的国家战略规划下，随着技术的不断发展，必将引领汽车设计的变革。通过CFRP新材料新技术应用，为人们提供更为高效、安全、节能产品，是每一位工程师不变的初心。
图1
图2
图3
一、CFRP在汽车碰撞安全设计中的应用前景：
前后碰撞：CFRP因其具有高强度、高刚度的特点，在吸能效率方面具有明显的优势，在受到前后碰撞过程中，CFRP经过基体损伤、纤维断裂等一系列的过程吸收带走大量的能量，在承受相同程度的变形甚至断裂破坏的环境下，与其它钢材、铝材等材料部件相比，能量吸收效率可以达到钢和铝合金的4、5倍。如图2所示的雷克萨斯LFA超级跑车纵梁前端，在前缓吸能区采用CFRP作为碰撞吸能盒，极大的提高了正面碰撞第一阶段的材料变形吸能，有效的降低了车身有效减速度，从而降低了乘员舱侵入量以及假人伤害。
图4（图片来源于Euro Car Body）
侧面碰撞：在侧面柱碰和侧面壁障碰撞中，如图5所示的宝马7系车身，在主要传力支撑路径上（如B柱加强板、门槛加强板、侧围上边梁内加强板、顶棚横梁等）采用碳纤维复合材料的零部件可以有效的提高侧面的抗撞击性能，提高乘员舱的乘员生存空间和完整性，有效的降低乘员伤害，保证碰撞安全性能。在侧面撞击过程中，传统的钢结构零部件由于受到局部集中冲击，不可避免的产生局部凹陷、弯折的现象，大大降低了乘员舱的空间，不利于乘员安全保护。CFRP由于自身固有的材料属性、力学性能，即使出现局部的变形失效，仍然可以进行力的传递，避免出现如图6所示局部凹陷、弯折，大大提高了零部件的抗冲击性能，有利的保护了乘员空间。
图5（图片来源于Euro Car Body）
图6
二、碳纤维复合材料数值模拟：
在LS-DYNA求解器中提供了诸多针对复合材料的本构模型，依据失效基准的差异，主要分为渐进损伤和连续损伤两大类：其中以渐进损伤力学为基准的有MAT22、MAT54、MAT55等，以连续损伤力学为基准的有MAT58、MAT261等。研究显示，复合材料采用渐进损伤力学模型，以强度作为材料失效准则，在仿真模拟复合层板的失效和损伤时，有着较高的精度，对复合材料的结构力学分析具有突出的指导作用。在碳纤维复合材料的有限元分析中得到广泛的应用。其中MAT54（*MAT_ENHANCED_
COMPOSITE_DAMAGE）号材料采用Chang-Chang失效准则，这种以连续损伤力学为基准的材料本构模型以应力作为判定表达式，对于薄壁壳单元的数值模拟精度很好，在汽车碳纤维复合材料的仿真中得到更多的青睐。材料卡片如图7所示。
图7
CFRP的仿真建模是由多层各向铺叠而成，由关键字*PART_COMPOSITE用来定义各层的材料、厚度、角度等。如图8所示。
图8
三、CFRP在汽车前地板总成的应用：
如图9所示，为同时满足轻量化设计要求和碰撞安全性能需求，采用CFRP新材料替代原有的金属材料重新设计前地板，并验证整车碰撞侧面工况安全性能（注：前地板的设计变更主要影响侧面工况性能）。
图9
侧面柱碰：Steel和CFRP两种状态的前地板侧面柱碰B柱最大倾入量结果如图10所示，由此可知，在侧面柱碰工况中，两种状态的前地板B柱最大倾入量基本一致，满足性能目标。
图10 侧面柱碰B柱最大倾入量
侧面碰撞：Steel和CFRP两种状态的前地板侧面可变性壁障碰撞B柱最大倾入量结果如图11、图12所示，由此可知，在侧面可变性壁障碰撞中，采用CFRP前地板B柱最大倾入量小于原金属材质前地板，B柱上、中、下三处的倾入速度基本一致，满足性能目标。
图11 侧面碰撞B柱最大倾入量
图12 侧面碰撞B柱上中下最大倾入速度
综上所述，在碰撞安全性能保持一致的情况下，采用CFRP的前地板相较于金属前地板仍减重了41.9%，由此可见，碳纤维复合材料在轻量化和安全性能设计过程中具有巨大的潜力。碳纤维复合材料因其优异的性能，在新能源汽车的国家战略规划下，随着技术的不断发展，必将引领汽车设计的变革。通过CFRP新材料新技术应用，为人们提供更为高效、安全、节能产品，是每一位工程师不变的初心。
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