摘 要

目前，汽车行驶带来的燃油消耗以及尾气排放引发了世界发注的能源问题和环境保护问题，节能减排已经是不可避免的重要话题，而汽车轻量化可以很大程度的降低汽车行驶带来的尾气排放，能够很好的解决这个问题。实现汽车轻量化的有效手段是汽车零件的轻量化，然而，目前汽车行驶安全性问题也日渐严峻，在实现汽车零件轻量化的同时会带来汽车安全性能的降低。如何同时满足车辆安全性能和轻量化两项重要指标是汽车设计开发者需要解决的课题。

本文以高强钢保险杠横梁低速碰撞仿真为基础，在此基础上重新设计碳纤维保险杠横梁并对其进行仿真分析，比较二者的碰撞性能，探索用碳纤维复合材料替代高强钢来作为保险杠横梁材料的可能性。首先，利用 Catia 软件建立了某轿车的高强度钢保险杠系统的三维模型。接着使用 Altair HyperWorks有限元前处理软件对低速对中碰撞进行了有限元模型的建立，使用LS-Dyna 求解器对前处理产生的K文件进行求解，使用Altair HyperWorks 后处理软件统计有限元分析的结果数据，比如碰撞过程中的变形、能量吸收特性、速度变化、碰撞力，考察保险杠横梁在碰撞过程中的动力响应特性。然后，依据原金属保险杠系统的尺寸和安装硬点，重新设计复合材料保险杠横梁的结构，在 Catia 软件中重新设计碳纤维复合材料保险杠横梁三维模型。完全前处理步骤之后在进行有限元仿真的时候赋予其碳纤维复合材料属性，提交求解器进行求解分析，按照分析指标一一对其碰撞性能进行评价，比较金属保险杠和碳纤维复合材料保险杠二者之间的碰撞性能。

最后，根据对比分析得出的结论探讨碳纤维复合材料汽车保险杠横梁的优劣势。

关键词：保险杠横梁；碳纤维复合材料；轻量化；

Abstract

At present, the concern of car's fuel efficiency and the environmental problem caused by emissions has drew the world's attention, automotive lightweighting can well reduce the carbon emissions in lifecycle of a car. Realizing the automotive lightweighting was an effective way to solve this problem.An effective means to realize automotive lightweighting was the lightweighting of automobile parts. However, the current global auto safety problem increasingly becoming prominent, taking steps to improve vehicle safety performance often leads to the increase of body mass at the same time. How to meet the two important indexes of vehicle safety performance and the light quantification has became the problem that the car design development urgently needs to solve.

In this article, the method of the finite element analysis was adpoted to explore the theoretical feasibility of replacing high strength steel with carbon fiber reinforced plastic (CFRP) in the front bumper beam of a car. First of all, using Catia software established a car the three-dimensional model of high strength steel bumper system, and according to the Chinese Standard GB17354-1998, Uniform Provisions concerning the Approval of Vehicles with regards to their Front and Rear Protective Devices, a commercial front bumper beam made of steel was characterized by impact modeling using CAD software Catia and CAE software such as Altair HyperWorks and LS-Dyna. energy-absorption，vehicle speed， impact force behavior. Then, on the basis of the original metal bumper system size and install the hard point, we designed the structure of composite bumper in Catia software. The original high strength steel material in FEA model was replaced by carbon fiber composite material.the model was established and solved, to compare the performance between new models and original model.

Finally, the advantages and disadvantages of composite car bumper beams were explored based on the conclusions obtained from comparative analysis.

Key words: Bumper beam；Carbon Fiber Reinforced Plastics (CFRP); Lightweighting

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景和意义 1

1.2 汽车保险杠的组成和作用 3

1.3 碳纤维复合材料应用于汽车保险杠国内外研究现状 4

1.4 汽车保险杠低速碰撞研究方法 4

1.5 本文的设计内容 5

第 2 章 碳纤维复合材料以及有限元仿真介绍 7

2.1 碳纤维复合材料基础 7

2.1.1 平面应力下单层板的应力-应变关系 7

2.1.2 碳纤维复合材料在主方向上的应力-应变关系 7

2.1.3 碳纤维复合材料在偏轴方向上的应力-应变关系 8

2.2 经典层合板理论 8

2.2.1 层合板单层的应力-应变关系 8

2.2.2 层合板刚度 9

2.3 正交各向异性材料的强度理论 10

2.3.1 最大应力理论 10

2.3.2 最大应变理论 11

2.3.3 Hill-蔡（S.W.Tsai）强度理论与Hoffman失效准则 11

2.3.4 蔡-吴（E.M.Wu）张量理论 12

2.4 铺层设计应遵循的原则 12

2.5 汽车碰撞仿真有限元理论 12

2.5.1 有限元基本理论 13

2.5.2 有限元的基本思想 13

2.5.3 有限元方法的分析过程 13

2.6 汽车碰撞仿真分析 14

2.6.1 碰撞分析软件 14

2.6.2 碰撞建模方法概述 15

2.6.3 汽车碰撞仿真建模原则 16

2.7 接触处理 16

2.8 沙漏控制 17

2.9 Optistruct优化理论 17

2.10 纤维复合材料在LS-Dyna中的材料模型 18

2.10.1 MAT54材料失效准则 18

2.10.2 MAT55材料失效准则 19

2.11 本章小结 19

第 3 章 金属保险杠横梁低速碰撞仿真 21

3.1 金属保险杠横梁碰撞系统有限元模型的建立 21

3.2 金属保险杆横梁的碰撞安全性能评价 22

3.3 低速碰撞有限元模型的建立 23

3.3.1 材料和属性设置 24

3.3.2 网格和节点穿透检查 25

3.3.3 连接 25

3.3.4 配重设置和接触 26

3.3.5 约束和初速度设定 26

3.3.6 计算参数设置 26

3.4 金属保险杠系统低速碰撞仿真结果与分析 27

3.4.1 低速碰撞指标分析 27

3.4.2 低速碰撞吸能特性分析 28

3.4.3 碰撞动力响应特性分析 30

3.5 本章小结 32

第 4 章 碳纤维保险杠横梁低速碰撞仿真 34

4.1 仿真模型截面与铺层初始设计 34

4.2 复合材料保险杠横梁碰撞仿真结果与分析 36

4.2.1 复合材料汽车保险杠低速对中碰撞可衡量指标分析 36

4.2.1.1 碰撞器X向入侵量分析 36

5.2.1.2 低速碰撞吸能特性分析 38

4.2.2 低速碰撞动力响应特性分析 40

4.3 对比分析 41

4.4 本章小结 42

第 5 章 总结与展望 43

5.1 总结 43

5.2 展望 43

参考文献 44

致 谢 46

1. 绪论

1.1 课题研究的背景和意义

1886年，世界上第一辆汽车诞生了，它的出现使人们的出行方式更加多样化，且在很大程度上提高了人类的生活质量。与此同时，人们的生活水平得到了大幅度的提升，科学技术也得到了飞速的发展，道路质量也得到了极大的优化，这些都使得人们对于汽车的需求量日益增大，由此汽车生产数量急剧上升。当然，在给人们提供方便的同时，也导致了一些问题的出现。降低油耗、减少排放，提高汽车安全性一直是全球汽车工业都必须面对的问题。

随着我国步入21世界，新时代的来临让我国经济得到快速腾飞，而这种快速发展也让我国的汽车总的保有量连年增长。现如今，汽车作为人类必不可少的代步工具，早已走入了千家万户。2003年的汽车保有量是2400万辆，过了十年后的2013年国内汽车保有量就达到了1.37亿辆，是2003年的5.7倍。这十年的时间内国民生活水平上升，自然汽车保有量也呈现出了很大的涨幅，而到了2017年截至6月底，全国汽车保有量高达2.05亿辆，突破了2亿大关，2017年上半年汽车新注册登记量达1322万辆，与去年同期持平，这说明现在每年汽车保有量的上涨呈现出一种稳步上涨的趋势。这么多车辆在全国的分布也呈现一种不均匀的状态，一线城市较二三线城市汽车保有量要多很多，而同时一线城市的人口流动也较二三线更多，事故率也较高。其中有6个城市的汽车保有量超过300万辆，有23个城市超过200万辆，以北京555万辆的数据高居榜首。汽车保有量上去了，那么随之而来的就是安全问题以及空气污染等难题。再加上现如今道路质量的改善和发展飞速的汽车技术带来的汽车动力性的大幅度提升，给人带来出行便利的同时随之而来的安全隐患也让人无法忽视不见，一旦发生碰撞事故，带来的人员损伤和财产损失都是十分严重的，更甚者车毁人亡带来人员伤亡。汽车数目的上涨带来让能源危机越加严峻的同时也让尾气排放空气污染更加恶劣，节能减排也是现如今汽车发展进程上一个十分重要且严峻的课题。