【摘 要】
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在全球汽车持有量不断增加以及能源紧缺、环境污染的背景下,汽车轻量化是降低燃油消耗、提升电动汽车续航里程的重要途径。随着汽车轻量化向主承力或次承力结构件发展,连续碳纤热塑性复合材料以其高强度、可回收、成型效率高等优势,而成为轻量化结构化的首选材料。然而,连续碳纤复合材料在成型复杂几何结构件时,却面临着纤维随模铺覆性、铺层优化设计以及热压成型纤维起皱、撕裂等缺陷问题,传统的测绘仿制或等代设计等逆向设计
【基金项目】
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广西重点研发计划项目（AB19259014）； 宁波科技创新2025重大专项（2019B10117）；
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在全球汽车持有量不断增加以及能源紧缺、环境污染的背景下,汽车轻量化是降低燃油消耗、提升电动汽车续航里程的重要途径。随着汽车轻量化向主承力或次承力结构件发展,连续碳纤热塑性复合材料以其高强度、可回收、成型效率高等优势,而成为轻量化结构化的首选材料。然而,连续碳纤复合材料在成型复杂几何结构件时,却面临着纤维随模铺覆性、铺层优化设计以及热压成型纤维起皱、撕裂等缺陷问题,传统的测绘仿制或等代设计等逆向设计方法已很难高效率地开发出性能优异产品。在此背景下,本文围绕连续碳纤成型复杂结构承力制件面临的关键问题,开展面向汽车顶盖横梁的复合材料铺覆/铺层正向设计、成型制造与性能测试研究,主要工作包括以下方面:（1）推导了纤维片材从初始平面状态变形到模具曲面形状过程的剪切应变计算公式,从理论上阐明了连续纤维铺覆过程的实际变形取决于单个纤维的初始方向和模具曲面曲率。基于此,首先对原始金属横梁几何结构进行了优化设计,开展了汽车横梁铺覆优化研究,通过铺层分块、改变铺层原点等优化途径,极大提高了纤维的随模铺覆性,有效减少了纤维发生起皱、撕裂等缺陷的可能性。（2）采用有限元分析与正交试验相结合的方法,开展了面向服役工况的复合材料横梁铺层方向及对应铺层含量的多目标优化设计研究。结果表明,在顶压、三点弯、扭转以及局部安装点四种工况下,对横梁形变量影响从大到小依次是0°铺层数量、±45°铺层数量和铺层顺序。优化后的铺层方案在四种工况下横梁最大变形量均小于金属横梁,表明通过多目标铺层优化后的复合材料横梁综合性能优于钢制横梁,减重达到52.03%,实现了轻量化结构化的目标。（3）针对钢横梁、复合材料横梁[0/90]4s铺层和最优铺层,分别开展了自由模态和四种工况约束下模态分析。相对于钢横梁,自由模态下最优铺层碳纤维横梁的7至12阶固有频率平均提高了87.85%,受约束情况下一阶固有频率平均提高了64.74%。相对于[0/90]4s铺层,自由状态下最优铺层的7至12阶模态频率均明显提高,在顶压、三点弯工况下最优铺层一阶模态频率稍高于后者,而在扭转和局部安装点工况下二者一阶模态频率相近。结果表明,最优铺层的碳纤维复合材料横梁提高了其固有频率,使结构更不容易发生共振,从而让汽车结构更加稳定安全。（4）设计制造了汽车顶盖横梁热压成型模具,采用PA6/60%CF预浸带,基于优化后的铺层方案,成功热压出横梁制品。针对复合材料横梁的拉伸测试显示,平均拉伸模量和强度分别达到66.60GPa和778.86MPa,断裂伸长率为1.22%,为脆性断裂。弯曲测试显示复合材料试样首先是层间破坏,然后是纤维断裂,平均弯曲模量和强度分别达到61.31 GPa和541.55 MPa。表明经过铺覆优化、铺层优化后热压成型的汽车横梁具有较好的抗拉伸和抗弯性能。（5）采用动态力学分析仪,开展了30℃、60℃和120℃三个温度下受不同加载应力时复合材料横梁的应变恢复行为研究。结果表明,复合材料应变随温度和应力的增加而增加,120℃温度下10 MPa应力加载30分钟时,试样最大应变达到0.172%,但在外力释放30分钟后应变可恢复至0.0124%,处于较低水平。该数据说明本文热压成型的PA6/60%CF复合材料在特定应力和一定温度范围内具有较好的应变恢复能力,该结果对评价复合材料横梁在服役环境下的塑性变形具有重要指导意义。本文围绕连续碳纤热塑性复合材料成型复杂几何结构承力制件存在的关键科学和技术问题开展研究,论文工作对提升复合材料正向设计水平、促进复合材料在汽车轻量化结构化方面的应用具有重要的指导意义。
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