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目前碳纤维复合材料已经应用到汽车的结构件中，比如横梁、车门以及转向架等。保险杠作为汽车车身的重要安全保护装置，是车身的重要组成部分;其主要功能是承载碰撞时的冲击载荷和吸收冲击能量，防止车身其他部分发生严重破坏,保护乘员及行人安全，对其结构和材料进行研究具有实用价值。碳纤维铝蜂窝复合材料是由高强度碳纤维面板和铝蜂窝芯组成的三明治结构，兼具低密度、高比强度、高模量以及优异的能量吸收特性。用碳纤维铝蜂窝复合材料替代汽车上传统金属材料的保险杠，可以达到轻量化以及增强汽车安全性的目的。 本文以汽车的保险杠为研究对象,采用碳纤维铝蜂窝复合材料替代传统金属材料，从保险杠的受力分析和性能要求入手，综合考虑碳纤维铝蜂窝复合材料成型工艺特点和装配要求进行碳纤维铝蜂窝复合材料横梁的结构设计。结合Abaqus CAE工程软件对保险杠进行三维建模和工况分析,从而对碳纤维铝蜂窝复合材料的结构参数调整优化，最终达到轻量化效果。 1 汽车保险杠的结构 目前汽车保险杠是由面罩、缓冲材料（吸能泡沫）及横梁3个部分组成,汽车保险杠结构如图1所示。
保险杠的主要作用是吸收和减缓外界冲击力，防护车身整个部分，保护乘车人的安全，是汽车设计中至关重要的一环。保险杠在碰撞中起抵抗作用的主要是横梁部分，除了要保证整个保险杠的刚度等安全性能外，还需要具备良好的抵抗外载荷能力。为了实现轻量化的效果,同时保证保险杠横梁的刚度和强度要求,本文选用碳纤维铝蜂窝复合材料替代传统金属材料。 保险杠横梁结构如图2所示，传统保险杠横梁结构如图2a）所示,构件的长度为1000mm,宽度为300mm,厚度为48mm,采用一体化成型制得。本文选用78的横梁结构如图2b）所示，其为碳纤维铝蜂窝复合材料保险杠横梁,尺寸与传统保险杠横梁一致。
2 有限元建模与材料选用 2.1有限元建模与网格划分 单纯从美的事物上感到美。这份孩童式的敏感，我希望，至少小心，别破坏它，别把它碾碎。 2.2材料选择 由于碳纤维材料是一种层状材料,其铺层的形式对性能影响较大。当铺层角度为0°时主要承受轴向力（面对保险杠），角度为±45°时主要承受剪切力，角度为90°时主要承受横向力,设计过程中应根据碰撞类型（角度碰撞或正面碰撞）选择铺层角度。 通过实验发现，当选择±45°铺层占比为50%的铺层形式时，±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;因此最终确定碳纤维复合材料的铺层为[45°/0°/90°/0°/45°］的铺层方式。 传统的保险杠横梁通常选用铝合金（6082-T6）,其材料性能参数如表1所示，本文所选用的横梁材料分为碳纤维和铝蜂窝两种。碳纤维材料的种类有很多,其中以T300系列和T700系列最为常用。
为保证成型质量、减小成型件变形和装配误差,兼顾性能和经济优势,选择浸润性好、固化收缩率低的环氧树脂作为碳纤维树脂基体。接着选择合适的铝蜂窝结构,对于蜂窝结构来说,蜂窝尺寸越小越好,所能承受的压力以及剪切力更大，但小尺寸的蜂窝加工难度大。综合考虑依据保险杠横梁的性能要求，初始选择了边长为1.6mm的蜂窝，铝蜂窝的性能参数如表2所示。
为了对比碳纤维铝蜂窝复合材料与传统材料以及单独碳纤维材料的性能优劣，本文选用铝合金、T300碳纤维、T700碳纤维及T300碳纤维铝蜂窝复合材料这4种材料,对比相同结构下材料的重量及轻量化效果，不同材料轻量化程度如表3所示。
由于碳纤维铝蜂窝复合材料密度低、重量轻及轻量化效果好，所以用碳纤维铝蜂窝复合材料替换传统的铝合金来设计保险杠横梁具有实用价值。 2.3不同材料的保险杠横梁性能仿真结果与分析 针对上述选用的4种材料，通过仿真模拟进行性能分析。在汽车碰撞过程中，保险杠横梁主要发生的是弯曲变形，所以采取三点弯曲实验的准静态静压仿真进行性能分析。准静态压溃的过程属于低速大变形非线性问题，需要采用显示求解方法。碳纤维铝蜂窝三点弯曲仿真模型如图3所示，圆柱压头和底部支撑圆柱都采用刚性材料，圆柱压头只释放丫方向的自由度,约束其余方向自由度，支撑圆柱固定所有自由度，三点弯曲实验设定刚性圆柱对保险杠横梁模型压缩位移为5mm。
图4所示为4种材料保险杠横梁在三点弯曲作用下的位移云图，可以看出在误差允许范围内,4种材料的保险杠横梁模型都能达到设定的要求。
保险杠横梁的应力云图（俯视）如图5所示，其展示了在压缩位移都达到标准的情况下4种材料保险杠横梁的应力云图，其中6082-T6保险杠横梁的表面应力约为5.25MPa（见图5a））,T700的保险杠横梁表面应力约为0.65MPa（见图5b））,T300的保险杠横梁的表面应力约为0.39MPa（见图5c））,由图5d）可知T300铝蜂窝复合材料保险杠横梁的表面应力约为1.28MPa。带有碳纤维表面的3种材料比传统铝合金表面产生的应力小，在固定压缩位移的条件下，在保险杠横梁上产生的应力越小越好，更利于抵抗外部载荷。
保险杠横梁的应力云图（正视）如图6所示，其展示了4种材料保险杠横梁应力,可以更加清楚地观察到保险杠横梁内部各个部分的受力情况。
由图6所示可知,4种材料压痕处的应力最大，应力从压痕处向底部扩散，压痕处会最先发生断裂，模拟结果与实际情况相符合。 图7所示为4种材料保险杠横梁的冲击载荷位移，在相同位移下载荷的大小体现抵抗外力的能力，载荷越大说明抵抗外力的能力就越强。
由图7所示可知,6082-T6保险杠横梁、T300保险杠横梁及T700保险杠横梁在相同压缩位移下的载荷基本相同，而T300铝蜂窝复合材料保险杠横梁载荷相对较低，说明T300铝蜂窝复合材料抵抗外部载荷的能力较弱。 4种材料保险杠横梁的能量吸收时间如图8所示,其展示了4种材料保险杠横梁的能量吸收曲线，反映了吸能效果。从图8所示可以看出,T300铝蜂窝复合材料的吸能效果较差,这与载荷位移曲线结果相符合。
3 碳纤维铝蜂窝复合材料结构设计及性能优化 由于碳纤维铝蜂窝复合材料结构方面的可设计性,不同结构参数碳纤维铝蜂窝复合材料的性能有很大的差异。 为了提高碳纤维铝蜂窝复合材料的吸能效果，本文通过改变碳纤维铝蜂窝复合材料面板的厚度、铝蜂窝的边长尺寸以及铝蜂窝的壁厚，设计了如表4所示的4种结构参数的碳纤维铝蜂窝复合材料（H]~H4均为碳纤维铝蜂窝复合材料），对比研究其性能优劣,最终确定合适的结构参数。
不同结构参数的T300铝蜂窝复合材料保险杠横梁的应力云图（俯视）如图9所示，从图9所示可以看出，不同结构参数的T300铝蜂窝保险杠面板的应力大小都是相似的。
不同结构参数的T300铝蜂窝复合材料保险杠横梁的应力云图（正视）如图10所示，从图10所示可以看出，不同结构参数下T300铝蜂窝复合材料蜂窝芯部受力不同。当增加T300面板厚度（比），蜂窝芯部应力增大，可达4.7MPa（见图10b））。
当减小铝蜂窝的尺寸（比），应力分布情况发生了变化，从图10c）可以看出相邻部分的蜂窝的应力相差较大，最小只有3.3MPa,最大为5.1MPa。当增加铝蜂窝壁厚（比），蜂窝的应力分布规律与H3状态相似,但是铝蜂窝所受应力比H3力、，最小为3.0MPa,最大为4.6MPa（见图10d））,因此比比H3可以更好地抵抗外部冲击。 不同结构参数的T300铝蜂窝复合材料和铝合金保险杠横梁的载荷位移如图11所示，从图11所示可以看出,H2aH3及H4在相同位移下载荷都比H]大,说明改变结构参数（增加T300面板厚度、减小铝蜂窝边长尺寸及增加铝蜂窝壁厚）可以更好地抵抗外力冲击，而且H2aH3和H4在相同位移下的载荷都要比铝合金大，说明优化参数后有更好的性能。
不同结构参数的T300铝蜂窝复合材料和铝合金保险杠横梁的能量吸收时间如图12所示。
从图12所示看出，改变结构参数后,H2aH3及h4能量吸收能力和铝合金对比有所提高，且h4性能是最优的，能达到轻量化要求，可以用来设计保险杠的横梁。 4 结语 1)分析汽车保险杠的结构，当采用碳纤维铝蜂窝复合材料替换传统的铝合金材料，汽车保险杠横梁可减重50%左右，轻量化效果显著。 2)通过调节碳纤维铝蜂窝复合材料的结构参数,最终获得抗冲击性能以及能量吸收性能优于传统铝合金的碳纤维铝蜂窝复合材料;因此采用碳纤维铝蜂窝复合材料替换传统金属材料来设计汽车保险杠横梁是可行的,符合当代汽车的发展趋势。 来源：《现代制造工程》作者：卢强，沈琴，刘钢，王晓玮，黄道柱 |
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