【聚焦】B柱也能用碳纤维？ Mubea开发混合材料轻量化B柱

汽车改变生活、材料改变汽车

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　　目前，汽车轻量化的发展要求给汽车制造商带来了更大的压力，特别是2015-2020年期间，汽车制造将面临巨大的减重压力。B柱作为重要的车身部件，需要具有较高的刚度和吸能性，以满足侧面碰撞的安全要求。因此，B柱的减重是一项具有挑战性的工作。

　　近期，致力于制造碳纤维复合材料部件的Mubea Carbo Tech公司与Edag Engineering AG合作，采用钢与纤维增强复合材料开发了一款混合材料轻量化B柱。　

概念设计与CAE仿真

　　首先以Mubea的TRB B柱为原型，参考美国IIHS碰撞试验要求，建立CAE仿真模型。对侧碰过程中B柱的拉伸和压缩应力分布进行分析，结果显示：纤维增强复合材料（以下简称FRP）可有效实现应力传递。但是在碰撞过程中B柱内部产生了教的拉应力，B柱加强件上产生了较大的压应力，具体如图1所示。由于FRP材料承受应用载荷的能力有限，因此，基于CAE仿真可确定FRP材料的应用区域。

　　随后进行拓扑优化，分析FRP材料的纤维排列，铺层结构，钢板厚度设计以及与钢制部分的结构分布对产品性能的影响。

　　模拟表明，FRP材料应用于B柱上端，与钢制结构通过粘合进行连接的方案最佳。上端采用高纤维含量的FRP材料，下端采用变厚度钢制结构可获得理想的减重和安全效果，具体如图2所示。

产品试制

　　在经历概念设计和仿真模拟之后，需要进行产品试制。这里主要涉及钢制件和FRP的生产。钢制部分采用Mubea的TRB板，FRP部分考虑到大规模生产要求，采用自动编织FRP预制件。

　　其中FRP材料是通过使用泡沫芯作为支撑元件，机器人控制围绕该支撑元件编织碳纤维，从而实现纤维以特定的角度进行层铺。然后采用RTM工艺浸渍树脂，固化成型。在连接之前，还需要对部件端部表面进行喷砂处理和进一步的回火处理。具体见图3。

　　最后，将FRP部分于钢制体进行粘接，在通过常规点焊连接其他钢制部件。

性能验证

　　对混合材料B柱实施落锤冲击试验，具体测试见图4。为了能够模拟B柱在整体上的实际应用情况，测试时也考虑了支点的刚度。测试结果与CAE模拟结果相近，下端TRB钢制部分承担了吸能的任务，变形较大。具体见图5。

小结

　　作为行业领先的复合材料汽车部件供应商，Mubea Carbo Tech一直致力于汽车轻量化部件的设计与开发。该项目的研究表明，对于B柱这样需要承受高应力的部件，也可以通过混合材料的设计实现轻量化。

　　从重量的角度来看，混合材料B柱突破了传统B柱用材体系，实现了20%的减重效果。此外，如图6和表1所示，连续自动化生产也有助于将FRP材料的应用成本保持在合理水平。未来，Mubea Carbo Tech将进一步开展该混合B柱的批量化生产与应用。

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