摘 要

在汽车工业飞速发展同时人们环保意识逐渐提高的当今时代，汽车轻量化是汽车发展的重要趋势。汽车B柱作为关系到汽车侧碰安全和车身刚度的重要部件，在保证B柱性能的前提下对其进行轻量化设计是节能减排的重要研究方向。

本文将先对B柱的结构和功能进行介绍，并总结B柱的性能需求，为后文仿真分析提供条件。然后采用等代设计的方法使用碳纤维复合材料替换传统金属B柱，并通过有限元仿真分析对比其性能的改善，发现其减重达到51.7%。随后仿真在B柱不同的部件上使用碳纤维复合材料的效果，为考虑成本的情况提供方案的同时，得到碳纤维复合材料使用在外板的方案比使用在内板的方案性能更优。

关键字：B柱；轻量化；碳纤维复合材料；有限元仿真

Abstract

In the current era of the rapid development of the automobile industry and the gradual improvement of people's awareness of environmental protection, automobile lightweight is an important trend of automobile development. Automobile B-pillar is an important component related to automobile side impact safety and body stiffness. Lightweight design of B-pillar under the premise of ensuring the performance of B-pillar is an important research direction of energy saving and emission reduction. This paper will first introduce the structure and function of B-pillar, and summarize the performance requirements of B-pillar, which provides conditions for later simulation analysis. Then the equivalent design method is used to replace the traditional metal B-pillar with carbon fiber composites, and through the finite element simulation analysis to compare its performance improvement, it is found that the weight loss reaches 51.7%. Then the effect of using carbon fiber composites on different parts of B-pillar is simulated, which provides a scheme for considering the cost, at the same time, it is concluded that the performance of the scheme of carbon fiber composites used in the outer plate is better than that in the inner plate.

Key words：B-pillar; Lightweight; CFRP; Finite Element Method

目 录

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2汽车B柱轻量化的研究现状 1

1.3研究目的及意义 2

1.4研究内容 2

第2章 复合材料B柱的设计研究基础 3

2.1复合材料B柱的研究方法 3

2.1.1复合材料B柱的结构设计方法 3

2.1.2有限元分析法 3

2.2传统汽车B柱的结构及功用 3

2.2.1传统B柱的结构 4

2.2.2 B柱的功能 4

2.3 B柱的简化模型构建 4

2.4 B柱简化模型有限元分析边界条件的确定 5

2.4.1 B柱的受力情况 5

2.4.2侧碰法规的概述 6

2.4.3本文中使用的边界条件 6

2.5小结 7

第3章 复合材料B柱的设计及分析 8

3.1传统金属B柱的有限元分析 8

3.1.1有限元软件的介绍 8

3.1.2金属B柱的有限元建模分析 8

3.1.3结果分析 10

3.2复合材料B柱的设计及分析 13

3.2.1层合板概念 13

3.2.2材料选取 13

3.2.3铺层设计 13

3.2.4复合材料的失效形式 14

3.2.5碳纤维复合材料B柱与车身的连接方式 15

3.2.6复合材料B柱有限元建模分析过程 16

3.2.7结果分析 17

3.3小结 18

第4章 金属和复合材料混合使用的设计与分析 21

4.1复合材料外板B柱仿真 21

4.1.1铺层设计 21

4.1.2有限元分析 21

4.2复合材料内板B柱仿真 24

4.2.1铺层设计 24

4.2.2有限元分析 24

4.3 小结 26

第5章 总结 28

5.1结论 28

5.2展望 28

参考文献 29

致 谢 31

第1章 绪论

1.1研究背景

随着汽车工业化的迅速发展以及人类节能环保意识的逐步提高，提高汽车的燃油经济性和减少污染排放逐渐成为了汽车的发展趋势。在当下的科学技术来说，汽车轻量化是实现节能减排的有效途径^[1]。所谓汽车轻量化设计是在不影响甚至提高车辆性能的条件下，减少车身重量^[2]。目前，实现车辆轻量化的两大主要方式是车身结构的优化和轻质材料的应用^[3]。

汽车B柱是汽车的第二根立柱，关系到碰撞安全和车身刚度的重要构件。同时B柱兼顾前排安全带卷收器、安全带高度调节器、前车门锁扣和后车门铰链的安装^[4]，必需具有足够的刚度和强度。因此，在保证汽车安全性能的前提下对B柱的轻量化设计是实现降低能耗和减少排放的重要研究方向。

1.2汽车B柱轻量化的研究现状

早期汽车B柱只是通过冷冲压加工而成的，这种工艺方法精度低、成型性差，更别提轻量化^[4]。对B柱进行轻量化方法的研究一向是国内外汽车发展的重要方向。在材料方面，使用高强度的复合材料一直都是研究的热点。碳纤维作为一种新技术材料，有着高比强度、高比模量、耐高温、耐腐蚀和热膨胀系数小等性能特点，使用碳纤维复合材料可以满足汽车的优异性能同时很好的实现轻量化^[5]。兰祥等人^[6]将某车型的金属B柱替换为碳纤维复合材料，研究表明其在大大减轻了B柱重量的同时完全满足汽车的性能要求。同时，国内也有人如熊长丽等人^[7]，还有陈伟等人^[8]仅在B柱的加强板上使用碳纤维复合材料完成了轻量化。而在国外也有人使用合金材料如7075铝^[9]实现了B柱轻量化。

在结构设计方面，世界上首次在汽车上使用变截面技术是2011年的奥迪A6的前挡板和新福克斯的B柱^[10]。李红^[10]等人也通过研究发现了中部厚两端薄的B柱结构能在实现减轻重量的同时，满足汽车的性能要求。同样的变截面技术，Pan F等人^[2]在B柱上使用了拼焊板技术，实现了B柱上不同区域不同厚度不同材料的设计。除了金属材料，在复合材料B柱上也有变截面的使用，李勇俊^[11]等人在汽车B柱上使用到了碳纤维复合材料的削层结构来实现复合材料B柱的变截面设计，还验证了“上强下弱”的B柱结构的安全性更好。