【技术帖】汽车复合材料中顶横梁轻量化设计

0 引言

随着汽车工业的快速发展，产生了一系列如油耗、环保等重大问题。安全、节能已成为21世纪汽车产业发展的主流,而实现这一目标,轻量化是最佳途径之一。

碳纤维复合材料作为一种典型的轻质高强材料,相比传统金属材料,具有轻量化效果显著、结构承载能力强和有利于大型部件的整体成型等优点闵。当前,汽车复合材料结构设计代表着轻量化技术最新的发展方向，宝马i3采用碳纤维复合材料设计驾驶舱和内部承力结构；中科院宁波材料研究所与奇瑞联合打造的混合动力车“艾瑞泽7”，其车身采用碳纤维复合材料，总体减重达40%~60%。

中顶横梁作为车身的重要组成部分，主要对汽车顶盖外板起到支撑作用，加强顶盖总成的刚度和强度、保证车架的扭转刚度并承受纵向载荷等。中顶横梁轻量化主要是通过结构优化和轻量化材料来实现,提出的方案需要通过CAE软件分析，并进行优化，给予方案数据支持，保证目标性和准确性。2011年本田雅阁采用270MPa的低碳钢车顶部件作为研究模型,将玻璃纤维复合材料用于中顶横梁设计,在满足强度、刚度等条件下，实现车顶部件整体减重达39%（8.8kg）。

基于轻量化材料的结构设计是中顶横梁安全性和工程应用的基础，本文以某新能源汽车中顶横梁为研究对象，采用碳纤维增强热固性复合材料（CFRTC）替代原铝合金材料（6082・T6），从中顶横梁受力分析和性能要求入手，综合考虑CFRTC的成型工艺特点和装配要求，对中顶横梁进行宏观结构设计和细观铺层优化,并利用UG和HyperWorks工程软件对中顶横梁进行三维建模和典型工况仿真分析，检验CFRTC中顶横梁宏观结构设计和细观铺层优化的可行性和轻量化效果。

1 结构设计和材料选择

1.1 原铝合金中顶横梁

中顶横梁位于汽车顶盖下方，两边与车架连接,主要对汽车顶盖外板起到支撑作用，加强顶盖总成的强度和刚度。某新能源汽车原中顶横梁采用铝合金材料（6082-T6）制成,厚度1.8nrni,质量为0.93kg,中顶横梁两端直接通过焊接的方式与车架连接，中顶横梁与车身装配关系如图1所示。铝合金中顶横梁如图2所式，中顶横梁总体沿跨距方向带有一定的弧度，便于与汽车顶盖贴合，其结构如图2a）所示；中顶横梁横截面为呈“日”字形的薄壁空腔结构,这种设计既能够提高中顶横梁整体刚性,又能降低重量，铝合金中顶横梁的横截面如图2b）所示。

1.2 中顶横梁受力分析

载荷工况是车身结构件设计和性能分析的重要依据，中顶横梁在车架顶部主要起支撑作用，除了需要保障整体车身框架刚度等安全性能要求外,还需要具备良好的雪压载荷抵抗能力。

整车框架安全性主要包含整车弯曲刚度和整车扭转刚度，其中，整车弯曲刚度计算公式为:

式中:KBG为整车弯曲刚度;PBG为加载的弯曲载荷；Dmax为调整后的车身下边梁上最大位移点的变形值。 

整车扭转刚度计算公式⑸为：

式中:KT为整车扭转刚度;T为加载扭矩;∅'FS为单侧 前加载点插值后扭转角；∅'RS为单侧后约束点插值后 扭转角。

雪压载荷分析时，中顶横梁主要受到来自汽车顶 盖的压力，由于乘用车顶盖垂直方向尺寸远小于其他 两个方向尺寸，基于弹性薄板理论，中顶横梁的雪压 载荷可简化为垂直于汽车顶盖方向的均布载荷，因此 中顶横梁雪压载荷可表示为：

式中屮为中顶横梁上表面所受压强;F为中顶横梁上表 面所受雪压载荷大小;S为中顶横梁上表面承载面积。

1.3 CFRTC中顶横梁结构设计

1.3.1材料选择

为实现轻量化效果，同时保证刚度和强度力学性能,中顶横梁选用CFRTC替代原铝合金材料;为提高成型效率、降低材料成本,选用多层多轴向经编T700碳纤维织物作为增强体;为保证成型质量、减小成型件变形和装配误差,选择浸润性好、固化收缩率低的环氧树脂作为树脂基体;综合考虑铺叠效率和性能参数，还要对碳纤维织物的纤维铺层方向进行优化设计。

1.3.2中顶横梁结构设计

考虑到CFRTC的成型工艺,CFRTC中顶横梁无法沿用原铝合金腔体结构,现将中顶横梁结构改为片状结构，并对横截面进行重新设计。中顶横梁刚度与横截面形状直接相关,为保证车身框架整体弯曲刚度和扭转刚度,以及对车顶雪压或其他压力载荷作用下的支撑作用,现将中顶横梁横截面设计为“M”型，包含凸台、竖筋、凹槽和翻边,CFRTC中顶横梁横截面设计如图3所示。CFRTC中顶横梁横截面示意图如图3a）所示,其中,凸台上平面与汽车顶盖直接接触,竖筋主要起支撑作用，翻边主要用于改善中顶横梁扭转变形。

对“M”型中顶横梁横截面各部分尺寸进行设计时,需要权衡各部分尺寸对中顶横梁力学性能和轻量化效果的影响。在设计横截面高度时，因竖筋可以增强中顶横梁受压时的承载能力，在一定范围内，竖筋高度越高承载能力越好,但考虑到装配空间,并参考铝合金中顶横梁的横截面高度，最终设计“M”型中顶横梁中间两竖筋高度为20mm,外侧两竖筋高度为22mmo设计横截面宽度时,在保证CFRTC模型与原铝合金模型横截面外侧边界一致的前提下，中间两凸台和凹槽的尺寸受3个因素综合影响：1）凸台与凹槽的尺寸均等分布，有利于提高中顶横梁结构稳定性;2）凸台需要承受载荷,宽度越大承载稳定性越好;3）为保证成型时两凸台转角处不发生缺胶现象，以及便于凸台处脱模，需要尽量增大凹槽宽度。综合考虑以上因素并结合不同尺寸横截面的仿真结果对比，最终将凸台宽度设计为24mm,两凸台之间凹槽宽度为26mmo此外，由于中顶横梁跨距比较长,为防止模压成型出模后发生扭转变形,需要设计中顶横梁外缘翻边，根据经验翻54边尺寸至少为10mm,又考虑到轻量化效果，最终设计翻边宽度为10mmo横截面尺寸设计如图3b）所示。

在中顶横梁结构设计时还要考虑成型工艺和装配关系等因素。CFRTC中顶横梁结构设计如图4所示。为满足装配关系，保证中顶横梁与汽车顶盖和两侧车架之间的连接,CFRTC中顶横梁沿跨距方向的曲线设计与原铝合金中顶横梁保持一致,CFRTC中顶横梁结构如图4a）所示；为保证中顶横梁两端与车身之间的连接,考虑到CFRTC中顶横梁无法与金属车架焊接，胶接剥离强度又较低,故采用“胶接 钏接”的方式，将中顶横梁两端进行收口设计,两端收口如图4b）所示。为满足模压成型后的出模要求，确定中顶横梁拔模斜度为3,既能保证模压成型时中顶横梁顺利出模，又能起到侧向加压的作用；中顶横梁各拐角处设计半径为5mm的圆角（见图3b），从而减少应力集中和结构突变处的缺胶等成型缺陷。

2 有限元建模及仿真

运用UG软件对中顶横梁进行几何建模,然后将模型文件导入HyperWorks软件进行有限元分析。有限元分析过程中，依次进行模型抽壳、网格划分、材料属性设置、边界条件和载荷施加等步骤，最后对比分析两种材料中顶横梁的仿真结果，检验本文设计的合理性。

2.1 网格划分

网格划分是有限元分析中的关键，网格的大小和质量好坏会直接影响分析结果。本次中顶横梁是片体，抽完中面之后采用二维单元网格划分单元。网格大小受模型尺寸影响,太小的网格在复杂模型中容易造成网格质量不佳以及计算时间过长等后果，因此综合考虑各方面原因,决定设定网格尺寸为4mm。

在有限元分析中，对分析结果影响不大的几何尺寸会降低网格质量，影响分析结果，所以在网格划分前，需要对中面进行几何清理，把对于仿真结果影响不大的过渡圆角、小尺寸限位孔等去除。划分好网格之后的原铝合金中顶横梁共有12347个单元网格和12285个单元节点；CFRTC中顶横梁共有39591个单元网格和40040个单元节点。两种材料中顶横梁的有限元网格划分如图5所示。

2.2 几何连接

原铝合金中顶横梁两端与车架采用焊接的方式连接,CFRTC中顶横梁拟采用“胶接 钏接”的混合连接方式。本次仿真采用HyperWorks软件中的RBE2刚性单元模拟钏接，使得主节点与从节点之间构成刚体连接,仿真时中顶横梁与车架不产生相对位移；用RBE3柔性单元模拟胶接，在仿真分析中通过胶接柔性单元进行载荷传递，同时在实际中还能防止两端金属连接件和CFRTC零件之间产生电化学腐蚀，中顶横梁与车架之间的连接示意图如图6所示。

2.3 材料属性

原中顶横梁和两端的车架都采用铝合金材料,CFRTC中顶横梁采用碳纤维T700环氧树脂基复合材料，两种材料的性能参数如表1所示。

2.4 复合材料铺层优化

除了宏观几何结构,CFRTC的细观铺层方式也对中顶横梁的力学性能和成型效率有较大影响,多种铺层方式下CFRTC中顶横梁的雪压仿真结果对比如表2所示。表2中，下标s表示对称布置;下标4表示按顺序铺4次。

根据仿真结果对比发现，在铺层数（8层）相同的条件下,采用[-45°/0°/90°/0°]s或[0°/45°/90°/0°]s铺层方式时,CFRTC中顶横梁最大位移最小,但考虑到铺层效率，[45°/-45°/0°/90°]s铺层采用正交铺叠,可直接选用双轴向或多轴向碳纤经编织物，大大节约了铺层时间，且最大应力更小,不仅如此,正交对称布置还可消除层间应力，考虑到后期批量化和产业化应用,最终铺层方式选用[45°/-45°/0°/90°]s（依次按照45°、-45°、0°、90°方向对称布置，共8层），碳纤维单层厚度为0.25mm，故CFRTC中顶横梁总厚度为2mm,碳纤维铺层效果如图7所示。

2.5 模型标定与参数处理

根据本文第1.2节的载荷分析，需要考虑中顶横梁抗雪压能力和整车弯曲刚度和整车扭转刚度性能。

根据式(1)和式(2),在计算整车弯曲刚度和整车扭转刚度之前,需要得到调整后车身下边梁上最大位移点的变形值D和∅'FS ∅'RS，并将两种材料中顶横梁装配到整车模型中进行分析。

在整车弯曲刚度计算中，需要在车身两侧下边梁中间位置施加一组弯曲载荷，调整后的车身下边梁上最大位移点变形值D的计算可转化为:

式中:Dx为调整后的测点位移;Dx为下边梁上最大位 移点的变形量仏为下边梁上最大位移点与前、后减振 器座中心点的X轴(车身长度方向)坐标差；L为前后减振器座中心点的Y轴(车身宽度方向)坐标差; D'FS、D'RS分别为插值处理后的前加载点和后约束点位移。

式中:分别为前、后减振器座中心点的X轴坐标值；XFS-1、XRS-1分别为前、后减振器座中心点沿X轴正向移动100 mm处取值点的X轴坐标值；XFS 1、XRS 1分别为前、后减振器座中心点沿X轴反向移动100mm处取值点的X轴坐标值；DFS-1、DRS-1分别为前、后减振器座中心点沿X轴正向移动100mm处取值点的Z向(车身高度方向)位移;DFS 1、DRS 1分别为前、后减振器座中心点沿X轴反向移动100mm处取值点的Z向位移。

在整车扭转刚度计算中，根据式(2)可知，需要计算施加扭转力矩后的Φ'FS和Φ'RS。Φ'FS和Φ'RS可分别通过式(7)、式(8)计算得到。

式中:ΦFS-1、ΦRS-1分别为前、后减振器座中心点沿X轴正向移动100 mm处取值点的未调整扭转角(左侧或右侧)；ΦFS 1、ΦRS 1分别为前、后减振器座中心点沿X轴反向移动100mm处取值点的未调整扭转角(左侧或右侧)。

为方便获取特征点处的变形量和扭转角，根据式(5)〜式(8),对车身模型的重要特征点进行标定。车身特征点标记如图8所示，图8中特征点02,01分别为车身前减振器座左、右中心点，也是整车扭转工况的载荷施加点;特征点04,03分别为车身后减振器座左、右中心点;特征点06和05均为弯曲载荷施力点，分别位于车身左、右下边梁的中心处；特征点011、012和015,016分别位于车身前、后4个减振器座中心点沿X轴正向移动100nun处;特征点013,014和017,018分别位于车身前、后4个减振器座中心点沿X轴反向移动100mm处，减振器座前后特征点的位置关系如图9所示。

2.6 载荷工况

根据上述分析，分别施加对应载荷模拟不同工况承载情况。中顶横梁加载示意图如图10所示。雪压工况下，中顶横梁主要承受来自汽车顶盖的压力，中顶横梁两端与车架连接,为模拟汽车顶盖对中顶横梁的作用力，按照积雪厚度为600mm时的压强对中顶横梁施加载荷（200N），根据雪压工况下积雪厚度与压强之间的关系，需要对中顶横梁的上表面施加0.882x10-3MPa的压强，雪压工况加载示意图见图10a)。

在校核整车弯曲刚度和整车扭转刚度时,需要先将中顶横梁放入整车模型中。整车弯曲刚度分析时,根据标准对车身施加3000N的力F1(F1=1.8x乘员舱最大载荷)，分摊到特征点05和特征点06处的垂向载荷均为1500N,整车弯曲工况加载示意图如图10b)所示;整车扭转刚度分析时，对车身前减振器座中心位置施加2000N・m的许用力矩,分摊到前减振器处特征点01和特征点02的垂向力F2均为±1895.4N（F2=0.5x前轴最大负荷x轮距/左、右两弹簧支座支撑点的间距），整车扭转工况加载示意图如图10c）所示。

3种工况下的中顶横梁载荷施加情况如表3所示。

3 仿真结果分析

3.1 雪压工况

在雪压工况下,两种材料中顶横梁的变形云图对比和应力云图对比分别如图11和图12所示。由图11和图12可知：两种材料中顶横梁的位移仿真结果相似,最大位移都集中在中顶横梁中间部位,最大应力都出现在中顶横梁与车架连接处;两种材料中顶横梁的最大位移量和最大应力值相当,铝合金中顶横梁和CFRTC中顶横梁最大位移分别约为0.14mm和0.13mm,最大应力分别约为7.48MPa和7.92MPa,位移和应力值都很小，具备良好的抵抗雪压载荷的能力。

3.2 整车弯曲工况

在整车弯曲刚度仿真中，整车弯曲工况仿真结果如图13所示，车身两下边梁中间受力点处（加载点处）的位移量最大。由图13a）可知，原铝合金中顶横梁车身最大位移约为0.209mm；由图13b）可知，搭载CFRTC中顶横梁的车身最大位移约为0.214mm。

在整车弯曲刚度仿真中，中顶横梁的最大位移发生在左右两端，中顶横梁弯曲变形仿真结果如图14所示。由图14a）可知，铝合金中顶横梁最大位移约为0.0758mm；由图14b）可知，CFRTC中顶横梁最大位移约为0.0769mm。

在整车弯曲工况下,两种材料中顶横梁车身各特 征点处的位移如表4所示（结果保留3位有效数字）。

根据车身各特征点的坐标和位移量，算出式（5）和式（6）中D'FS和D'RS的值,将其与下边梁上最大位移点的变形量DX代入式（4）中，算出铝合金中顶横梁车身的左、右DX值分别为0.297mm和0.298mm,CFRTC中顶横梁车身的左、右Dj值分别为0.296mm和0.297rrnn,取左、右下边梁上DX的均值作为车身下边梁上最大位移点的变形值DX,代入式（1）中算出搭载铝合金中顶横梁和CFRTC中顶横梁的白车身整车弯曲刚度KBG分别为10077.68N/mm和10103.65N/mm。

计算结果表明，搭载CFRTC中顶横梁的白车身整车弯曲刚度较铝合金中顶横梁车身略有提升。

3.3 整车扭转工况

在整车扭转刚度仿真中，整车扭转工况仿真结果如图15所示，车架前部两侧受力点处的位移量最大。由图15a）可知,原铝合金中顶横梁车身最大位移为2.225mm；由图15b）可知，搭载CFRTC中顶横梁的车身最大位移为2.421mm。

在整车扭转刚度试验中，中顶横梁的最大位移发生位置在其左右两端，中顶横梁扭转变形仿真结果如图16所示。

由图16a）可知，原铝合金中顶横梁最大位移约为0.357mm；由图16b）可知,CFRTC中顶横梁最大位移约为0.507mm。

在整车扭转工况下,两种材料中顶横梁车身各特征点处的位移如表5所示。

根据车身各特征点的Y轴坐标和Z向位移量的仿真结果，得到∅FS-1、∅RS-1、∅FS 1、∅RS 1等参数值,分别将其代入式（7）、式（8）中,计算出铝合金中顶横梁车身的∅'FS、∅'RS分别为0.00342°和0.00522°,CFRTC中顶横梁车身的∅'FS、∅'RS分别为0.00343°和0.00801°。将两种材料中顶横梁的载荷与扭转角分别代入式（2）中，计算出搭载铝合金中顶横梁和CFRTC中顶横梁的白车身整车扭转刚度念分别为12037.22N・m/（°）和13252.51N・m/（°）。

计算结果表明，搭载CFRTC中顶横梁的白车身整车扭转刚度较铝合金中顶横梁提升了10%左右，效果显著。

铝合金中顶横梁和CFRTC中顶横梁在3种工况下的仿真结果对比如表6所示。

综合3种工况下的仿真结果，由表6可知,在保证强度、刚度要求的情况下，本次设计的CFRTC中顶横梁质量从原铝合金中顶横梁的0.93kg降到了0.51kg,减重45.16%，轻量化效果显著，达到了最初的设计要求。

4 结语

本文从装配关系、成型工艺、强度/刚度性能和轻量化效果等要求出发，用CFRTC替代原铝合金材料，对中顶横梁的结构进行了优化设计。

1)综合考虑复合材料成型工艺和性能要求，将CFRTC中顶横梁横截面设计为“M”型结构，优化横截面各段尺寸和碳纤维增强热固性复合材料铺层参数。为保证与汽车顶盖贴合,以铝合金中顶横梁上表面为依据，设计CFRTC中顶横梁的跨距曲线;为保证安装稳固，中顶横梁两端收口，便于与车架采用“胶接 钏接”的连接方式。为保证成型质量，进行了中顶横梁翻边、拔模斜度和过渡圆角的设计。

2)分析中顶横梁典型工况承载情况，利用Hyper Works软件进行模型标定和仿真分析。通过两种材料中顶横梁仿真结果对比可知,CFRTC中顶横梁抵抗雪压载荷能力和整车弯曲刚度性能略优于铝合金中顶横梁，整车扭转刚度则提升了10%左右，性能满足设计要求,CFRTC中顶横梁性能安全可靠。

3)从轻量化程度上看,CFRTC中顶横梁减重45.16%,轻量化效果显著。同时，结构件设计从工程应用角度出发，综合考虑了性能、材料、工艺和装配等因素，具备批量化生产和应用的条件。

来源：《现代制造工程》作者：朱佳辉,邱睿,周甘华,曹清林