摘 要

汽车行业的发展面临着能源的问题，传统的金属吸能结构已经逐渐满足不了轻量化的设计要求。随着复合材料技术的发展，人们开始发展复合材料的车身结构来解决眼下的问题。本文从计算机仿真入手，使用HyperMesh建立了简化的碳纤维复合材料B柱侧面碰撞模型，设计实验并根据汽车被动安全的知识提出了采用能量曲线、位移云图、侵入量曲线、侵入速度曲线来分析B柱性能的方法，来研究碳纤维复合材料B柱在不同条件下的压溃模式以及变形特性。

论文主要分析了不同铺层方式、加载方式对碳纤维复合材料B柱压溃模式及变形特性的影响。

研究结果表明：（1）不同角度的铺层在本文设定的碰撞条件下有着不同的吸能能力，基本表现为0°＞±45°＞90°。且碰撞中B柱内应力需要不同铺层角度的合理安排来平衡，防止B柱破坏失效。（2）加载方式对于B柱吸能效果、侵入量和侵入速度均有影响。

本文的特色：提出了碳纤维复合材料在汽车B柱上的应用，通过有限元仿真分析研究了内因（铺层方式）和外因（加载方式）对于B柱性能的影响。

关键词：汽车轻量化；有限元分析；碳纤维复合材料B柱

Abstract

The development of the automotive industry faces energy issues. Traditional metal energy absorbing structures have gradually failed to meet lightweight design requirements. With the development of composite materials technology, people began to develop the body structure of composite materials to solve the problems at hand. This paper starts with computer simulation and uses HyperMesh to establish a simplified side impact model of carbon fiber composite B-pillar. The experiment was designed and the energy curve, displacement contour, incursion curve and incursion velocity curve were used to analyze the B-pillar performance according to the passive safety knowledge of the vehicle. The method was used to study the crushing mode and deformation characteristics of carbon fiber composite B-pillar under different conditions.

The paper mainly analyzes the effects of different layup methods and loading methods on the crush mode and deformation characteristics of carbon fiber composite B-pillars.

The results show that: (1) Different layers of plies have different energy absorption capabilities under the collision conditions set in this paper, and the basic performance is 0°gt;±45°gt;90°. In the collision, the internal stress of the B-pillar needs to be balanced by a reasonable arrangement of different ply angles to prevent the failure of the B-pillar. (2) The loading method has an effect on the energy absorption effect, intrusion amount, and intrusion speed of the B-pillar.

The characteristics of this paper: The application of carbon fiber composites on automotive B-pillars is presented. The influence of internal factors (ply-layout methods) and external factors (loading methods) on the performance of B-pillars is investigated by finite element simulation.

Key Words：automotive lightweight;FEA; Carbon fiber composite B-pillar

目录

摘要 I

abstract II

第1章 绪论 1

1.1 论文的研究背景 1

1.2 国内外研究现状及发展趋势 3

1.2.1 国内外关于复合材料有限元仿真分析的研究 3

1.2.2 国内外对于复合材料车身的研究 4

1.2.3 对于薄壁结构的碰撞吸能的探索 5

1.3 本文主要研究内容 5

1.4 研究意义 6

第2章 汽车被动安全法规及有限元分析简介 6

2.1 国内外汽车安全法规概述 6

2.2 汽车被动安全性的研究方法 7

2.3 有限元分析与软件介绍 9

2.3.1 有限元方法 9

2.3.2 HyperWorks软件简介 11

2.3.3 LS-DYNA简介 12

2.4 有限元分析理论基础 13

2.4.1 材料模型 14

2.4.2 单元选取 14

2.4.3 沙漏控制 14

2.4.4 接触控制 15

2.4.5 时间步长控制 15

2.5 本章小结 16

第3章 B柱基础和复合材料B柱模型的建立 16

3.1 B柱结构及功用 16

3.1.1 B柱的组成和结构 16

3.1.2 B柱功能 17

3.2 复合材料B柱的设计方法及力学理论 18

3.2.1 设计方法 18

3.2.2 复合材料力学理论基础 19

3.3 B柱简化模型的创建（前处理） 22

3.3.1 几何清理 22

3.3.2 网格划分 22

3.3.3 材料和属性设置 24

3.3.4 定义约束与接触 25

3.3.5 定义初速度 25

3.4 本章小结 26

第4章 B柱侧面碰撞仿真结果分析方法 26

4.1 侧面碰撞中的乘员损伤 26

4.2 仿真结果的验证 27

4.3 B柱的变形模式分析 28

4.4 B柱侵入量的分析 31

4.5 B侵入速度的分析 33

4.6 本章小结 33

第5章 不同条件下的碳纤维B柱碰撞分析 34

5.1 不同铺层方式 34

5.1.1 铺层设计 34

5.1.2 能量曲线 35

5.1.3 位移云图 36

5.1.4 侵入量曲线 37

5.1.5 侵入速度曲线 40

5.1.6 实验现象分析 42

5.2 三点载荷与四点载荷 43

5.2.1 能量曲线 44

5.2.2 位移云图 45

5.2.3 侵入量曲线 46

5.2.4 侵入速度曲线 47

5.2.5 实验现象分析 48

5.3 本章小结 49

第6章 总结和展望 49

1. 绪论
   1. 论文的研究背景

汽车，从发明出来至今，一直作为重要的交通工具被使用在军事和日常生活各个方面。可以说汽车给人们带来了非常多的便利，但是同时不得不提的是，汽车附带着许多问题。其中最严重的问题就是能源问题和环境问题。最近几年,世界汽车的保有量仍然在与日俱增，并且人们在对汽车的舒适、经济的要求也越来越高 。 “节约资源、减少环境污染”成为世界汽车行业界亟待解决的两大难题汽车。因此，轻量化这一起源于赛车运动的概念被广泛重视。轻量化的优势其实很容易理解，重量减轻之后加速能力更强，操控性更稳定，燃油经济性更好都是显而易见的。因此对于节能减排解决前面提到的两大问题，都有很大的帮助。

汽车轻量化技术可以分为：结构优化设计、轻量化材料的应用和先进制造工艺等三个主要方面，如图1.1所示。

图1.1

本文主要围绕轻量化材料展开讨论。轻量化材料的开发和应用是当前汽车轻量化技术主要研究方向之一，也是目前国际上汽车材料领域最活跃的研究方向。汽车的应用材料是多样化的，因此汽车工业进步的一个主要因素就是材料的合理性选择。汽车应用材料的选择首先必须遵循一般的材料选择原则。材料种类多，性能、作用跟应用场合也都各不相同，材料的选择主要从以下方面进行：

（1）材料的使用性：所选材料制造商的零件在使用过程中应该具有良好的工作性能；

（2）材料的工艺性：所选材料能够确保被容易加工；

（3）材料的经济型：所选用的材料能够让产品的总成本较低。

围绕着汽车轻量化的问题，高强度材料相互之间及其与传统材料之间出现了激烈竞争。低合金高强度钢、铝合金、镁合金和复合材料等新材料是当前汽车应用材料的发展趋势。

国内的复合材料已近起步，但总的来说，复合材料在我国汽车行业中的应用的品种较少，与国外差距较大。在碳纤维增强复合材料方面的研究还很欠缺。

现阶段材料科学的发展目标是将材料复合化、智能化、多功能化和高性能化，其中，复合材料的发展被放在第一位。复合材料即是将物理性质和化学性质不同的两种或两种以上的物质结合起来而得到的一种多相固体材料。复合材料通常是由增强体和基体复合而成。在工程上，所谓复合材料通常是说将两种材料按比例均匀的混合形成一种新的材料，来实现单一材料不具有的优点，来提高材料的综合性能。通常讲，复合材料具有以下的属性：

1. 由两种或两种以上的物理化学性质不尽相同的材料组成，两种材料之间有明显的分界。
2. 能人为的控制组成材料的比例、形状等。
3. 复合材料的性能应比其组成成分的单一材料具有更好的性能。

碳纤维是在上个世纪六十年代开始发展起来的一种高科技新材料，是一种纤维状的碳材料。碳纤维具有高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀、抗蠕变、震动衰减性高、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能。这些优秀的性能是其他常见的纤维无法比拟的。值得一提的是，碳纤维是唯一一种能在两千度以上高温惰性环境中保持强度不变的材料。

由于碳纤维具有如此良好的力学性能，以树脂、陶瓷、金属等为基体，碳纤维为增强体经过特殊的工艺过程复合成型能够得到性能优秀的碳纤维复合材料。这种材料不仅能作为承载负荷的结构材料，又能够作为功能性材料满足一些特定的需求。正因为是这样，碳纤维在新型材料中的地位举足轻重，被行业所看重。碳纤维材料刚开始被用于各种军用、尖端领域，现在已经逐渐普及，在民用领域，像汽车、医疗、土建等方面也发挥着自己的作用。

汽车行业轻量化的要求与碳纤维复合材料的优秀性能如此契合，在汽车行业发展碳纤维复合材料已经成为热点课题。关于复合材料在汽车上的应用，有人总结了三个阶段：

1. 在车身零部件上的应用
2. 在车身框架结构上的应用
3. 一体式车身

现在国内，金属部件仍然是汽车构成的主体，甚至整个白车身都是由金属材料制成只有在一些车身部件上，例如翼子板、保险杠、天窗等等，才采用复合材料。虽然这些已经大大减轻了车身总重，为轻量化做出了一定贡献，但是这只应用到了碳纤维复合材料的“轻” 的特点，其高强度高耐磨性的特性都没预备利用到。

但值得注意的是，汽车轻量化会使汽车的安全性受到影响。汽车的安全性和轻量化之间必须做到相对平衡。根据汽车碰撞实验学的研究，乘员的周围（特别是侧面）必须具有足够的刚性，来最大限度的降低在碰撞时对乘员造成的伤害。也就是在减轻汽车重量的同时必须兼顾乘员的安全。

面临上述的难题，B柱作为车身上典型的结构部件，以复合材料B柱作为基础展开对复合材料车身的研究具有一定的研究价值。车身B柱一般位于上车身侧围总成中部，是侧围总成的第二根立柱如图1.2所示。