摘要：汽车工业的飞速发展使交通事故的发生量明显增多，轻量化高性能的汽车保险杠可在交通事故的撞击中减少车身的受损，并保障乘员的安全。简要介绍了使用碳纤维复合材料作为原材料的轻量化汽车保险杠的设计过程。
关键词：轻量化；碳纤维复合材料；汽车保险杠；防撞梁
在倡导节能减排、注重安全出行的当今社会，汽车作为最常用的交通工具之一，人们对其低能耗和安全性也提出了更高的要求：减轻车身质量，可以降低车胎的载重，减少能源的消耗；安装防撞性能更好的保险杠，可降低撞击事故对驾驶员和乘客的损害程度，提高安全性。因此，汽车保险杠应当具有质轻、耐撞击性优异的特性。
传统的汽车保险杠通常由金属材料制成，一般为经过表面处理的厚度大于3nlln的钢板，通过焊接或铆接的方式与车身主体连接为一体，这样会导致与车身间隙过大降低美感；此外钢板过重，在汽车行驶过程中由于惯性过大会延长制动距离，安全性较低；另外金属材料易腐蚀，导致汽车寿命缩短；同时钢板的耐冲击性能较差，不能更好地保障乘车人员的人身安全。因此，人们迫切地希望找到一种性能更加优异的材料来替代传统的金属材料，降低车身质量并提高安全性。20世纪70年代，片状模塑料首先应用于汽车保险杠中，并取得了良好的使用效果；随后，日本丰田汽车用纳米聚丙烯复合材料制造汽车保险杠，使保险杠的厚度减少了25％，质量减轻了33％左右；而后塑料保险杠就完全取代了金属材料。进入20世纪末期，碳纤维材料逐渐进入公众视野，并开始应用于汽车保险杠领域，碳纤维材料是含碳量在90％以上的由碳元素构成的一类纤维材料，由碳纤维增强的塑料复合材料密度低，通常为钢材的1/5左右，比强度却是钢材的10倍甚至更高。因此，碳纤维复合材料尽管成本较高，但其轻量和高强度性能使其仍然成为汽车保险杠的首选材料之一，近年来也得到了国内外学者的重点关注。本文主要围绕碳纤维塑料复合材料在汽车保险杠设计中的应用进行展开论述。
1.碳纤维增强塑料复合材料
碳纤维增强塑料复合材料(CFRP)是由连续的碳纤维加人塑料基体中经过一定的成型方法得到的一种性能优异的复合材料，如图1所示，CFRP质轻且能量吸收性能好，可作为结构材料，并且对于大型零部件也可一次成型，降低了零部件成型的难度。
连续碳纤维是由人造丝、沥青纤维或聚丙烯腈纤维经碳化制备而成的，具有较大的长径比、强度和刚度，可用作汽车保险杠的CFRP通常是将连续碳纤维加入环氧树脂基体中制造的碳纤维增强环氧树脂材料，这是因为环氧树脂是一种性能优异的热固性塑料，密度低，力学强度和刚度极高，充分满足了轻量化的汽车保险杠设计需求。如表1所述，碳纤维增强环氧树脂复合材料与玻璃纤维增强聚丙烯复合材料、铝合金材料相比，其密度小且强度大，是一种力学性能优异的复合材料，可作为原料制备汽车保险杠。
对碳纤维增强环氧树脂复合材料进行力学性能测试。拉伸试验发现，制备的试样在薄弱区最先发生断裂和纤维丝的断裂，并伴有明显的脆断声；通过拉伸一位移曲线看出，曲线呈线性上升的趋势，说明该复合材料是一种脆性材料。参照国标GB/T1449—对样品进行弯曲试验，最终试样首先出现开裂随后才发生了断裂，开裂时在压缩的一侧主要是挤压斜裂纹，在拉伸的一侧则是拉伸裂纹，试样呈现分层开裂的现象。通过MAT54建立仿真模型，分析碳纤维增强环氧树脂复合材料的应力应变行为，最终仿真结果与实际测试结果相似，仿真试验显示复合材料的拉伸强度最大为802MPa，弹性模量最大为58.5GPa，力学性能十分优异，由其制备而成的汽车保险杠防撞击性能优异，安全性能好。
2.轻量化汽车保险杠的设计
汽车保险杠是安装在汽车车身前后两端的部件，具有装饰和防撞击性能，应当具有较大的吸收外界冲击力性能，确保车辆和乘车人员的安全。传统的保险杠是一体式的防撞梁结构，可由金属材料或改进的轻质材料制成；改进的汽车保险杠通常包括蒙皮、吸能装置和保险杠梁，均为塑料材质，质量更轻，如图2所示，为汽车前保险杠的结构简图，汽车后保险杠结构与其类似。其中，蒙皮位于最外层，是一种非结构件，起到装饰和降低空气阻力的作用；吸能装置主要用来吸收撞击时的动能；保险杠梁则是结构件，在撞击时发生弯曲以此降低对车身的冲击。改进的汽车保险杠不仅外形美观，安全性能也得到了提升。
改进的汽车保险杠用料比传统保险杠多，需要更加关注轻量化的设计。一般J隋况下，实现整车轻量化通常有以下四种方法：第一，优化车身结构，降低组成构件的壁厚、中空化和小型化构件，即精简化车身零部件，使其整体化和集成化。第二，在生产过程中采用轻量化的工艺方法，例如采用拼焊板工艺，即调整加工过程中轧辊间距，实时调节不同轧板的截面，可减少局部材料用量，减轻质量。第三，采用轻量化材料，例如CFRP，由于碳纤维具有层状结构，各向异性明显，含碳量高，力学性能优异，塑料质轻，碳纤维增强后可沿纤维的轴向呈现高强性，并且易于加工，是轻量化手段中最长采用的方法。第四，对整车结构进行空间拓扑优化，综合考虑，减轻车身质量。
对于汽车保险杠而言，可以采用前三种方法，实现其设计轻量化，并保证性能。
3.由碳纤维复合材料制备的汽车保险杠
综上所述，采用轻质材料，尤其是CFRP制备汽车保险杠是实现轻量化的根本方法，同时又保证了汽车保险杠的安全性能。下面分别对改进的一体式防撞梁结构的保险杠和改进的汽车保险杠不同部件的轻量化设计分别进行论述。
3.1 一体式防撞梁结构的汽车保险杠
对于一体式的汽车保险杠，通常是中空结构，内部填充具有较高吸能性的泡沫材料，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料制造保险杠本体。首先，建立保险杠的有限元模型，结合结构特点和成本，设计变量，采用LHS(超立方采样)方法，挑出80个样本点和20个验证点，对板厚变量进行圆整。然后，建立Kriging近似模型，如表2所示，选择精度最高Kriging模型形式，脚和RCF可用来表征横梁保险杠的撞击安全性，ⅣF小时，表明保护能力更强，RCF小时，表明耐碰撞性能好。随后，采用遗传算法求解上述Kriging模型，可进行多次优化圆整。最后，根据优化圆整后的方案采用CAD、有限元方法等提交计算，并通过CAE技术仿真分析保险杠的耐撞击性能，最终结果表明，采用上述轻量化方案设计得到的碳纤维增强环氧树脂复合材料作为原材料时，保险杠的质量从初始的2.5kg变为1.6kg，质量减轻了36％。由此可见，在满足碰撞性能约束的条件下，通过计算机进行辅助设计和优化，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料可得到显著的轻量化效果。
3.2 改进的汽车保险杠
改进的汽车保险杠是分体式的结构，增加了蒙皮和吸能装置，碰撞的过程中能够吸收更多的能量，相对于一体式的汽车保险杠防撞性能更好。下面分别对各个部件的轻量化设计进行论述。
(1)蒙皮
蒙皮是汽车保险杠最外层的部件，不具有防撞击性能，覆盖整个保险杠结构，其部件尺寸较大，因此选择轻质材料制造能显著降低保险杠质量，采用流线型设计，减少汽车行驶过程中的空气阻力，又增加了保险杠的外观美感。
(2)吸能装置
吸能装置位于蒙皮和保险杠梁之间，可吸收碰撞时的冲击能量，通常为方形或圆形结构，设计吸能装置是首先应当结合碰撞实际，优化安装角度，最大程度上吸收撞击能量，发挥其作用。常见的吸能装置采用CFRP作为原材料，设计正四棱锥的折纹薄壁管形状的吸能盒，当其受到撞击的轴向力时，吸能装置的每个折角都会发生变形，压溃吸能盒，因此能够产生更大的塑性变形，吸能性进一步提升。
(3)保险杠梁
保险杠梁又称为防撞梁，能够将撞击力更好地传递至吸能装置和前纵梁，并吸收部分能量，是汽车保险杠最重要的防撞击部分，为了降低车身阻力，防撞梁通常为弧形并带有肋板的结构。CFRP强度高，抵抗和传递撞击力的作用强，并且呈各向异性，对铺层进行设计可显著增加其耐撞性能。
由于CFRP是一种层状材料，其铺层的形式对性能影响较大。铺层角度为0°时主要承受轴向力，+45°时主要承受剪切力，90°时主要承受横向力，设计过程中根据碰撞类型(角度碰撞或正面碰撞)选择铺层角度：通过实验发现，选择+45°铺层占比为50％的(±45°／90°／0°)铺层形式时，保险杠的最大加速度至最低、碰撞时间最大且吸收能量值几乎相同，这是因为+45°的铺层可以更好地分散和传递冲击能，将其设置在最外层能够迅速传递能量，为后两层铺层结构所吸收。
同时，防撞梁的厚度也不是越大越好，且不同部位的防撞梁厚度也应当有所差异。这是因为汽车在高速状态下发生碰撞时，能量比低速时高出几十倍甚至更多，此时保险杠可能彻底变形，吸能装置的防撞性能远低于防撞梁，所以保险杠的吸能值主要依赖于防撞梁的厚度，等厚度的防撞梁就无法同时考虑吸能和加速度，因此，设计变厚度的防撞梁更具有实际参考价值。如图3所示，对防撞梁上5个部分进行厚度优化。采用响应面法，首先建立有限元模型，对其进行碰撞模拟分析，结果发现，吸能值大小与其面积和位置有关，吸能值从大到小依次为C>B>A—D>E，根据这一结论优化不同部位的厚度。进行优化后，设计了厚度不同的双层防撞梁结构，最终发现其吸能值相对于优化前提高了7％，质量减轻了31.7％，即在减轻质量的基础上提高了防撞性能，提升了汽车的安全性。
吸能装置和防撞梁一起共同构成了保险杠系统，将其模拟组装为一体结构，进行仿真碰撞试验，在VPG软件中根据碰撞法规(FMVSS208)建立汽车有限元模型，设置碰撞速度，最终发现，采用优化后的保险杠系统无论是低速还是高速碰撞时其防撞性能都得到了显著提升，并具有优异的轻量化性能。
实际生产中，为了更好地提高保险杠的性能，还可改进原材料，在CFRP的基础上添加橡胶材料，例如首先采用UG建模，将汽车保险杠模型设计出来，采用ANYSYS软件模拟预处理，并进行仿真计算，选用碳纤维增强环氧树脂作为基体材料，并在基体材料表面黏贴一层橡胶材料，橡胶密度低、吸能性优异，在不增加车身质量的基础上显著提升防撞击性能：纯碳纤维增强环氧树脂制备的保险杠横梁在短时间内的撞击位移是15.4mm，达到位移最大值时用时0.05S；而黏贴有橡胶层的保险杠横梁位移则为13.9mm，达到位移最大值时用时0.06S，可看出增加的橡胶层吸收了撞击能量，显著增加了撞击时间，可有效降低撞击带来的车身的损害。
4.结论
研究发现，当汽车时速不超过4km/h，发生正面碰撞时，除了汽车保险杠之外，车身纵梁、座舱等结构均无较大形变，可见汽车保险杠对汽车安全行驶的重要意义；而减轻车身质量，可以改善汽车的加速与制动性能，减少惯性，分散冲击能，进一步提高安全性能等级。选用轻质材料可以从根本上实现汽车轻量化，其中碳纤维增强环氧树脂复合材料是首选的轻质高强材料之一，尽管成本较高，但性能优异，因此得到了广泛了应用。传统的一体式结构的汽车保险杠仅具有中空结构的防撞梁，内部填充吸能泡沫，尽管质轻但安全性欠佳。改进的保险杠结构包括蒙皮、吸能装置、防撞梁，整体体积增大，但采用计算机辅助设计和仿真模拟，选用轻质的碳纤维复合材料，并优化各部件的厚度和结构，可在保证安全性的前提下设计出质量更轻的保险杠，可在一定程度上降低生产成本，为汽车加工企业提供有力的理论指导。
来源：期刊-塑料工业
作者：吴飞
单位：广西交通职业技术学院
