多轴向经编曲面复合材料汽车门低速碰撞数值模拟

第３９卷第２期　２０１８年２月　纺织学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｔｅｘｔｉｌｅ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｖ０１．３９．Ｎｏ．２　

Ｆｅｂ．，２０１８　

ＤＯＩ：１０．１３４７５／ｊ．ｆｚｘｂ．２０１７１００６２０６　多轴向经编曲面复合材料汽车门低速碰撞数值模拟　

高　哲　，蒋高明　（１．江南大学教育部针织技术工程研究中心，江苏无锡２１４１２２；２．江南大学一德克萨斯大学新型　针织结构材料国际联合实验室，江苏无锡２１４１２２）　

摘要为探究多轴向经编曲面复合材料汽车壳体的抗冲击性能，采用有限元方法对多轴向经编曲面复合材料乘　用车车门的低速碰撞性能进行了模拟分析。通过对多轴向曲面复合材料车门与传统ＳＡＰＨ４４０钢车门进行建模、低　速碰撞数值模拟，对比分析了二者在应力分布、车门侵入量、侵入速度和车门内能等多个角度的性能差异，并从保　护车内成员安全和轻量化等方面进行探讨。研究表明：与传统钢材料车门相比，多轴向经编曲面复合材料车门在　受到低速碰撞时变形更小，能量吸收性能更强，在一定程度上加强了对车内人员的保护；另外，该材料的应用使车　身大幅减重，实现乘用车的轻量化。　关键词　多轴向经编织物；曲面复合材料；抗冲击性能；轻量化　中图分类号：ＴＳ　１８１．８　文献标志码：Ａ　

Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　ｃｕｒｖｅｄ　ｍｕｌｔｉ－ａｘｉａｌ　ｗａｒｐ－ｋｎｉｔｔｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃａｒ　ｄｏｏｒ　ｕｎｄｅｒ　ｌｏｗ－ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ　

ＧＡＯ　Ｚｈｅ。，ＪＩＡＮＧ　Ｇａｏｍｉｎｇ　，　

（１．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｃｅｎｔｅｒ　ｆｏｒ　Ｋｎｉｔｔｉｎｇ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｍｉｎｉｓｔｒｙ　ｏｆ　Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｊｉａｎｇｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，　Ｗｕｘｉ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１４１２２，Ｃｈｉｎａ；２．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｊｏｉｎｔ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｆｏｒ　Ｎｏｖｅｌ　Ｋｎｉｔｔｉｎｇ　Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｔ　Ｊｉａｎｇｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｗｕｘｉ，Ｊｉａｎｇｓｕ　２１４１２２，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ　Ｉｎ　ｏｒｄｅｒ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｔｈｅ　ｉｍｐａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｃｕｒｖｅｄ　ｍｕｌｔｉ－ａｘｉａｌ　ｗａｒｐ—ｋｎｉｔｔｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ａｕｔｏｍｏｂｉｌｅ　ｓｈｅｌｌｓ，ｔｈｅ　ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｗａｓ　ａｄｏｐｔｅｄ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｌｏｗ—ｓｐｅｅｄ　ｉｍｐａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｄｏｏｒ　ｏｆ　ａ　ｐａｓｓｅｎｇｅｒ　ｖｅｈｉｃｌｅ　ａｄｏｐｔｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａ１．Ａｎ　ＳＡＰＨ４４０　ｓｔｅｅｌ　ｃａｒ　ｄｏｏｒ　ｗａｓ　ｕｔｉｌｉｚｅｄ　ａｓ　ｔｈｅ　ｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅ　ｉｔｅｍ．Ｓｔｒｅｓｓ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ，ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ，ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ　ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ａｎｄ　ｉｎｔｅｒｎａｌ　ｅｎｅｒｇｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｄｏｏｒｓ　ｗｅｒｅ　ａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｃｏｍｐａｒｅｄ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ＳＡＰＨ４４０　ｓｔｅｅｌ　ｃａｒ．ｔｈｅ　ｃｕｒｖｅｄ　ｍｕｈｉ—ａｘｉａｌ　ｗａｒｐ．ｋｎｉｔｔｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｃａｒ　ｄｏｏｒ　ｓｈｏｗｓ　ｓｍａｌｌｅｒ　ｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｂｕｔ　ｈｉｇｈｅｒ　ｅｎｅｒｇｙ　ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ，ｅｎｈａｎｃｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｎ　ｐｅｒｓｏｎｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｃａｒ　ｔｏ　ｓａｍｅ　ｅｘｔｅｎｔ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｐｒｏｖｉｄｅｓ　ｂｅｔｔｅｒ　ｓａｆｅｔｙ　ａｎｄ　ｌｅｓｓ　ｗｅｉｇｈｔ．　Ｋｅｙｗｏｒｄｓ　ｍｕｌｔｉ—ａｘｉａｌ　ｗａｒｐ—ｋｎｉｔｔｅｄ　ｆａｂｒｉｃ；ｃｕｒｖｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ；ｉｍｐａｃｔ　ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔ　

多轴向经编复合材料（ＭＷＫＣ）的增强结构为　典型的无屈曲多轴向经编织物（ＭＷＫ），由轴向纱和　捆绑纱２个纱线系统组成　卜　。轴向纱按照设计角　度平行伸直排列，形成多轴向纱层，并利用经编组织　结构沿厚度方向将纱层绑缚在一起形成整体织物结　构，非常适合制备结构简洁、曲率平缓的大型结构　件；此外，该结构在复合成型时，有效地避免了树脂　聚集区的出现，并且树脂浸润均匀。因此，在制备厚　度较小的曲面薄壳复合材料方面具有绝对优势。在　相关应用中，汽车壳体具有很强的代表性。近年来，　

收稿日期：２０１７—１０—１７　修回日期：２０１７—１１—１６　获奖说明：本文荣获中国纺织工程学会颁发的第１８届陈维稷优秀论文奖　基金项目：国家自然科学基金项目（６１７７２２３８）；国家工信部智能制造综合标准化与新模式应用项目子课题（工信部联　装［２０１６］２１３号）；江苏省自然科学基金项目（ＢＫ２０１５１１２９）；江苏高校优势学科建设工程资助项目（苏政办发　『２０１４］３７号）　第一作者简介：高哲（１９８１一），女，讲师，博士。主要研究方向为新型纺织结构增强复合材料的设计与性能研究。　Ｅ—ｍａｉｌ：ｖｉｅｗａｒｔｉｃｌｅ＠ｏｕｔｌｏｏｋ．ｅｏｍ　·４４·　纺织学报　第３９卷　新能源汽车成为了全球汽车消费的热点，为使电动　汽车或油电混动汽车获得更强的动力和更长的续航　里程。。　，车身减重成为这一类新能源汽车的关键　技术所在　。采用多轴向经编曲面复合材料制备　的汽车壳体，质量仅为传统钢壳体质量的４０％，可　使车身大幅减重。另外，随着汽车保有量逐渐增加，　交通拥堵过程中，车辆之间的低速碰撞时有发　生　，因此，对复合材料车门的抗低速碰撞性能　进行模拟研究，符合汽车行业实际发展需要。　本文研究将多轴向经编曲面复合材料乘用车车　门进行低速碰撞有限元模拟，从车门的功能和安全　性能等方面，对材料损伤进行分析，同时将模拟结果　与传统钢结构白车身车门进行对比，总结多轴向经　编曲面复合材料的特点和优势，研究成果将对该材　料在未来新能源汽车领域的使用起到积极的推动　作用。　

１材料与模型　１．１　多轴向经编复合材料　本研究中的多轴向经编曲面复合材料增强体为　４层多轴向经编织物（见图１）层合而成的［０。／＋４５。／　９０。／一４５。］　结构（见图２）。树脂基体为ＨＳ一２１０４．　Ｇ６０不饱和聚酯树脂（预促进），在２５　ｃ《＝下，加入　１．５％的固化剂Ｍ－５０，均匀混合后黏度为１４０～　１８０　ｍＰａ·Ｓ，凝胶时间为５Ｏ～７０　ｍｉｎ，其黏度较低，凝　胶时间长，适用于树脂传递模塑成型（ＲＴＭ）和真空注　射成型工艺。由于乘用车车门以曲面形式存在，因此　在主要冲击区域采用多轴向经编曲面结构，根据实际　车门结构参数，曲率ｋ设定为０．００３　４　ｍｉｌｌ～，多轴向　经编复合材料结构图见图３所示。　

图ｌ　［０￣／＋４５。／９０。／一４５。］　织物激光扫描显微照片　Ｆｉｇ．１　Ｉｍａｇｅ　ｏｆ［Ｏ。／＋４５。／９０。／一４５。］　ｂｙ　ｌａｓｅｒ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ　１．２　车门低速碰撞有限元模型　本文中选用的白车身车门是国内某品牌电动乘　

图２　多轴向经编复合材料增强体结构图　Ｆｉｇ．２　Ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ　ｏｆ　ＭＷＫ　ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ　

ｕ　增强结构　

曲面板　图３　多轴向经编曲面复合材料　Ｆｉｇ．３　Ｃｕｒｖｅｄ　ｍｕｌｔｉ—ａｘｉａｌ　ｗａｒｐ—ｋｎｉｔｔｅｄ　ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ　

用车的驾驶席车门。通过Ｓｏｌｉｄｗｏｒｋ软件建立车门　三维模型，车门材料厚度为１．０５　ｍｍ。同时，在车门　模型上，分别定义多轴向经编曲面复合材料和传统　汽车结构钢ＳＡＰＨ４４０的材料属性（见表１）。在对　模型做进一步的几何修整以适应后续的ｃｏｍｐｕｔｅｒ　ａｉｄｅｄ　ｅｍｇｉｎｏｅｒｉｎｇ（ＣＡＥ）分析要求之后，将模型导入　ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ进行前处理，包括定义材料、网格划分、　定义边界条件、定义接触和沙漏控制等。其中：约束　门边缘所有自由度；网格类型为四边形和三角形混　合网格，得到网格数量为１２０　５０７个，三角形网格比　例为３．９％；实心钢球直径为１６５　ｍｍ，质量为　４．２　ｋｇ，对钢球施加３．２　ｍ／ｓ的初始速度，垂直于车　门水平撞击，定义碰撞计算时间为５０　ｍｓ；设定钢球　为刚体不变形。然后在ＬＳ—ＤＹＮＡ程序下进行求解。　乘用车车门低速碰撞有限元模型如图４所示。　

表１　多轴向经编曲面复合材料车辆壳体与汽车结构钢　ＳＡＰＨ４４０壳体的材料参数　Ｔａｂ．１　Ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｃｕｒｖｅｄ　ＭＷＫＣ　ａｎｄ　ＳＡＰＨ４４０　ｆｏｒ　ＦＥＡ　

２车门碰撞对比分析　为对比和揭示多轴向经编曲面复合材料车　门（Ｄ　）与传统ＳＡＰＨ４４０钢材料车门（Ｄ　）在受到低　速碰撞时的性能特点，本文在相同的车门结构模型　第２期　高　哲等：多轴向经编曲面复合材料汽车门低速碰撞数值模拟　·４５·　（ａ）正视图　（ｂ）侧视图　图４乘用车车门低速碰撞有限元模型　Ｆｉｇ．４　Ｆｉｎｉｔｅ　ｅｌｅｍｅｎｔ　ｍｏｄｅｌ　ｏｆ　ｃａｒ　ｄｏｏｒ　ｌｏｗ—ｖｅｌｏｃｉｔｙ　ｉｍｐａｃｔ　（ａ）Ｆｒｏｎｔ　ｖｉｅｗ；（ｂ）Ｓｉｄｅ　ｖｉｅｗ　

上分别定义２种材料属性（即：多轴向经编曲面复　合材料材料和汽车生产企业普遍应用的汽车结构　钢），分析２种材料车门的应力分布、车门变形量、　侵入速度和车门内能。　２．１　应力分布　图５示出Ｄ　与Ｄ　２种车门在钢球撞击达到最　大行程（速度减为０时）时应力分布对比。由图　５（ａ）可见，在钢球撞击达到最大行程时，Ｄ　承受最　大应力为１９９　ＭＰａ，应力主要沿Ｄ　车门的　方向分　布，应力集中点在钢球的撞击核心区域。与Ｄ　相　比较，Ｄ　在钢球速度为０时，车门承受最大应力为　３８６　ＭＰａ，是前者最大应力的２倍。　

会出现不同程度的损伤和侵人变形。　在钢球完成撞击，反弹离开车门时，Ｄ　：的最大　应力为４７　ＭＰａ，应力明显减小，而Ｄ　在此时的最大　应力仍为３５６　ＭＰａ，无明显变化，如图６所示。在钢　球撞击完成时，Ｄ　：车门的应力已经迅速减弱，而与　此同时，车门并没有出现大范围变形，这说明Ｄ　车　门在受到低速撞击时，内部结构对应力的传播和能　量的消散起到了重要的作用，有效地缓解了应力的　集中。同时，与ＳＡＰＨ４４０钢材料车门Ｄ　相比，多轴　向经编曲面复合材料车门Ｄ　发生的塑性变形范围　更小，其弹性优于传统ＳＡＰＨ４４０钢材料车门Ｄ　，且　碰撞后恢复能力强。