碳纖維復(fù)合材料英文名稱為：Carbon FiberReinforced Plastics，簡(jiǎn)稱為：CFRP。主要由碳纖維和樹脂等基體制作而成的含碳量高達(dá)90%以上的復(fù)合材料，其密度約為1.4~2g/cm3，如圖1~圖3所示，僅為普通鋼材的1/4，甚至也只有鋁合金的2/3，而其強(qiáng)度卻可以達(dá)到鋼的7倍以上。在現(xiàn)存所有的汽車用工程材料中，碳纖維復(fù)合材料堪稱完美的工程材料因具有超高的比強(qiáng)度、比模量、比吸能等突出性能，同時(shí)擁有良好的抗疲勞性、耐腐蝕性，零件使用壽命高等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)滿足了汽車安全性能的提升和輕量化設(shè)計(jì)需求，具有無可比擬的先天優(yōu)勢(shì)，無疑是最為優(yōu)秀、最具有發(fā)展前景的復(fù)合材料。


圖1


圖2


圖3

一、CFRP在汽車碰撞安全設(shè)計(jì)中的應(yīng)用前景：

前后碰撞：CFRP因其具有高強(qiáng)度、高剛度的特點(diǎn)，在吸能效率方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)，在受到前后碰撞過程中，CFRP經(jīng)過基體損傷、纖維斷裂等一系列的過程吸收帶走大量的能量，在承受相同程度的變形甚至斷裂破壞的環(huán)境下，與其它鋼材、鋁材等材料部件相比，能量吸收效率可以達(dá)到鋼和鋁合金的4、5倍。如圖2所示的雷克薩斯LFA超級(jí)跑車縱梁前端，在前緩吸能區(qū)采用CFRP作為碰撞吸能盒，極大的提高了正面碰撞第一階段的材料變形吸能，有效的降低了車身有效減速度，從而降低了乘員艙侵入量以及假人傷害。



圖4（圖片來源于Euro Car Body）

側(cè)面碰撞：在側(cè)面柱碰和側(cè)面壁障碰撞中，如圖5所示的寶馬7系車身，在主要傳力支撐路徑上（如B柱加強(qiáng)板、門檻加強(qiáng)板、側(cè)圍上邊梁內(nèi)加強(qiáng)板、頂棚橫梁等）采用碳纖維復(fù)合材料的零部件可以有效的提高側(cè)面的抗撞擊性能，提高乘員艙的乘員生存空間和完整性，有效的降低乘員傷害，保證碰撞安全性能。在側(cè)面撞擊過程中，傳統(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)零部件由于受到局部集中沖擊，不可避免的產(chǎn)生局部凹陷、彎折的現(xiàn)象，大大降低了乘員艙的空間，不利于乘員安全保護(hù)。CFRP由于自身固有的材料屬性、力學(xué)性能，即使出現(xiàn)局部的變形失效，仍然可以進(jìn)行力的傳遞，避免出現(xiàn)如圖6所示局部凹陷、彎折，大大提高了零部件的抗沖擊性能，有利的保護(hù)了乘員空間。


圖5（圖片來源于Euro Car Body）


圖6

二、碳纖維復(fù)合材料數(shù)值模擬：

在LS-DYNA求解器中提供了諸多針對(duì)復(fù)合材料的本構(gòu)模型，依據(jù)失效基準(zhǔn)的差異，主要分為漸進(jìn)損傷和連續(xù)損傷兩大類：其中以漸進(jìn)損傷力學(xué)為基準(zhǔn)的有MAT22、MAT54、MAT55等，以連續(xù)損傷力學(xué)為基準(zhǔn)的有MAT58、MAT261等。研究顯示，復(fù)合材料采用漸進(jìn)損傷力學(xué)模型，以強(qiáng)度作為材料失效準(zhǔn)則，在仿真模擬復(fù)合層板的失效和損傷時(shí)，有著較高的精度，對(duì)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)力學(xué)分析具有突出的指導(dǎo)作用。在碳纖維復(fù)合材料的有限元分析中得到廣泛的應(yīng)用。其中MAT54（*MAT_ENHANCED_

COMPOSITE_DAMAGE）號(hào)材料采用Chang-Chang失效準(zhǔn)則，這種以連續(xù)損傷力學(xué)為基準(zhǔn)的材料本構(gòu)模型以應(yīng)力作為判定表達(dá)式，對(duì)于薄壁殼單元的數(shù)值模擬精度很好，在汽車碳纖維復(fù)合材料的仿真中得到更多的青睞。材料卡片如圖7所示。


圖7

CFRP的仿真建模是由多層各向鋪疊而成，由關(guān)鍵字*PART_COMPOSITE用來定義各層的材料、厚度、角度等。如圖8所示。


圖8

三、CFRP在汽車前地板總成的應(yīng)用：

如圖9所示，為同時(shí)滿足輕量化設(shè)計(jì)要求和碰撞安全性能需求，采用CFRP新材料替代原有的金屬材料重新設(shè)計(jì)前地板，并驗(yàn)證整車碰撞側(cè)面工況安全性能（注：前地板的設(shè)計(jì)變更主要影響側(cè)面工況性能）。


圖9

側(cè)面柱碰：Steel和CFRP兩種狀態(tài)的前地板側(cè)面柱碰B柱最大傾入量結(jié)果如圖10所示，由此可知，在側(cè)面柱碰工況中，兩種狀態(tài)的前地板B柱最大傾入量基本一致，滿足性能目標(biāo)。




圖10 側(cè)面柱碰B柱最大傾入量

側(cè)面碰撞：Steel和CFRP兩種狀態(tài)的前地板側(cè)面可變性壁障碰撞B柱最大傾入量結(jié)果如圖11、圖12所示，由此可知，在側(cè)面可變性壁障碰撞中，采用CFRP前地板B柱最大傾入量小于原金屬材質(zhì)前地板，B柱上、中、下三處的傾入速度基本一致，滿足性能目標(biāo)。




圖11 側(cè)面碰撞B柱最大傾入量


圖12 側(cè)面碰撞B柱上中下最大傾入速度

綜上所述，在碰撞安全性能保持一致的情況下，采用CFRP的前地板相較于金屬前地板仍減重了41.9%，由此可見，碳纖維復(fù)合材料在輕量化和安全性能設(shè)計(jì)過程中具有巨大的潛力。碳纖維復(fù)合材料因其優(yōu)異的性能，在新能源汽車的國(guó)家戰(zhàn)略規(guī)劃下，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，必將引領(lǐng)汽車設(shè)計(jì)的變革。通過CFRP新材料新技術(shù)應(yīng)用，為人們提供更為高效、安全、節(jié)能產(chǎn)品，是每一位工程師不變的初心。