由于温室效应、能源危机等全球性问题日益严重，节能环保问题成为世界各国研究的重要课题。目前我国在汽车节能减排、油耗标准方面的法规日益严苛。例如，我国工信部、质检总局等部门发布的乘用车企业平均燃料消耗量与新能源汽车积分并行管理办法就自2018年4月1日起实行。实现节能减排的主要途径中，轻量化设计是比较有效的一种。在众多轻量化材料中，碳纤维复合材料的比强度和比模量高，密度仅为钢的1/5左右，在等刚度或等强度下，碳纤维复合材料比钢可减少50%以上，具有独特的轻量化效果；碳纤维复合材料的高强抗冲击性和极佳的能量吸收能力（其能量吸收能力比金属材料高4-5倍）可以非常好的改善汽车的安全性能；而汽车在大多数碰撞事故中，汽车的前保险杠系统是碰撞发生时最先接触到的部位，它在很大程度上起到了保护车身和乘员的作用。保险杠系统主要包括外板、缓冲材料、防撞横梁，其中防撞梁作为一种典型的汽车薄壁类零件，在发生碰撞时是主要的吸能结构。因此，碳纤维复合材料防撞梁既可以提高汽车燃油效率节省能源，又可以显著减少污染物排放实现环保，还能提高车辆的安全可靠性，对其性能进行分析具有代表性的意义。

目前，世界上各大碳纤维厂家已纷纷和各大汽车公司联手，发展汽车用碳纤维复合材料技术。例如，德国大丝束碳纤维厂家SGL与宝马合作组建宝马i3用碳纤维厂；美国能源部开发“复合材料创新中心”，推进轻质材料研究是其主要目标之一。总的看来，国外在碳纤维复合材料汽车轻量化产业方面已经初具规模。目前，国内碳纤维复合材料汽车轻量化技术刚刚起步，处于前期技术探索和积累阶段，各大汽车主机厂、零部件厂、碳纤维及复合材料厂，以及具有相关前沿技术的科研院校已形成碳纤维复合材料汽车轻量化技术大联盟，着手布局碳纤维复合材料黑车身相关产业，积极储备技术，对推动新能源汽车产业化以及拉动碳纤维上下游产业链具有重大意义。

行业内对汽车碳纤维防撞梁的研究早有先例，例如武汉理工大学吴琼采用数值研究的方法探索了用碳纤维增强复合材料（CFRP）替代现有高强度钢保险杠横梁的可能性，并比较了这两者的能量吸收能力。首先，依据我国国标GB17354-1998《汽车前、后端保护装置》规定的汽车低速碰撞试验标准，利用有限元分析软件LS-DYNA建立了某轿车的高强度钢保险杠横梁的碰撞模型，对保险杠横梁进行低速对中碰撞仿真,考察其碰撞过程中的变形、碰撞力、应力分布及能量吸收特性。根据对仿真数据比如力-时间、变形-时间、能量-时间曲线的分析，研究保险杠横梁在碰撞过程中的动力响应特性和能量吸收情况。然后，修改原有限元仿真模型中的材料模型，以碳纤维复合材料替代原来的高强度钢。设计了几种不同铺层方式的碳纤维保险杠模型，并一一进行求解，比较模型修改前后的分析数据。最后，经过分析和比较，发现合理设计的碳纤维保险杠横梁具有比原高强度钢保险杠横梁更好的吸能特性和更轻的重量。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：本文首先对国内外汽车保险杠低速碰撞性能研究方法及发展状况进行学习和分析，在此基础上依据我国国家标准《GB 17354-1998汽车前、后端保护装置》规定的汽车低速碰撞试验标准确定性能分析方案，在CATIA中对现有的钢制模型进行模型清理和填补等前处理，然后基于ANSYS有限元分析软件，对处理后的模型进行有限元网格划分，通过修改材料模型，将碳纤维复合材料和传统高强度钢材料防撞梁的静态性能以及低速碰撞性能通过设计方案进行对比分析，探索了利用碳纤维复合材料代替传统高强度钢作为汽车防撞梁材料的可能性。
技术方案：

1利用catia将已有的钢制防撞梁三维模型进行清理和修补前处理，为有限元分析做准备。

2基于有限元分析软件ANSYS建立了相关实体模型的有限元模型，依次读入几何模型、定义材料属性、划分网格。

3接下来对有限元模型施加载荷，包括静载荷和低速碰撞载荷。以及载荷选项、设定约束条件。

4之后进行求解和后处理，对比分析两种材料的应力以及应变。最后，经过分析和比较，发现合理设计的碳纤维复合材料防撞梁比传统的高强度钢防撞梁具有更好的吸能特性和更轻的质量，满足了当今节能减排和汽车安全性能的需要。

[1]何天白等.碳纤维复合材料轻量化技术[M].北京：科学出版社，2015:P312 358.

前保险杠主要承担着抵御变形、分散碰撞能量的作用，保护汽车在发生碰撞时少受或不受破坏而设计的梁结构，保护车内人或物少受甚至不受伤害。当车辆发生碰撞时，前副保险杠可以将各种形式的偏置和正面碰撞产生的能量均匀传递到保险杠系统的吸能盒上，通过吸能盒的变形将碰撞过程中产生的能量转化为内能，吸收能量，并通过吸能盒将碰撞力均匀地传递到车身的前纵梁骨架。