新能源汽车车门轻量化研究

新能源汽车车门轻量化研究

吴明磊

长城汽车股份有限公司 河北省汽车技术创新中心 河北保定  071000

【摘要】汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面，车辆的重量与其材料有着紧密的联系；同时，对车辆进行结构优化也是一种行之有效的方法。碳纤维复合材料已成为颇具竞争力的汽车轻量化材料，其在抗碰撞性能、加工工艺和成本方面与其他材料相比具有较大的优势。车门是车辆的主体结构，降低车门的重量对降低车辆的重量很有意义。汽车车门是一种采用焊接、粘胶、包边法等方法加工而成的一种大而精密的机械装置，它的作用是将车辆的噪音隔离开来，通过对外界的震动起到一定的减震作用，从而确保车辆的安全性和舒适度。本论文以新能源汽车为实例，进行了车门轻量化方面的研究。

关键词：碳纤维复合材料；前车门；轻量化；模态识别

0.引言

近几年，使用复合材料已经成为汽车轻量化的重要措施，越来越符合绿色、节能性的发展趋势，是今后的发展方向。碳纤维复合材料是以碳纤维为增强材料，以树脂、金属和陶瓷为基底，通过复合成形而成。应用碳纤维复合材料是目前解决燃油车和新能源汽车减重的最好途径之一，可以降低车辆重量30%~60%。目前，碳纤维复合材料广泛用于高档汽车、跑车、跑车、改装车、限量款和少数电动汽车，主要应用于汽车车身，制动器衬片，燃料贮罐，座椅加热垫，传动轴，轮毂等部位。

1.碳纤维复合材料的基本属性

1.1碳纤维复合材料概述

碳纤维复合材料是指两种或多种不同的材料组合而成，并通过一套特殊工艺加工而形成具有较强优势性能的材料。这种材料因其内部成份的差异而呈现出多相位结构。碳纤维复合材料主要分为基体和增强体两部分，两者具有互补的特性，可以利用其协同作用来提高其综合应用的能力，从而达到不同的应用要求。碳纤维是一种连续细丝碳材料，该材料作为复合材料的增强体，其直径范围在6～8μm。为了更好地满足不同行业对此材料的要求，本文根据不同的基质，将其分为几种不同的复合材料。在这些材料中，使用范围最大的是碳纤维复合材料；而按照其使用的基质树脂，可以分为热塑和热熔两种类型。最终经过一系列分析，选择环氧树脂基体的碳纤维复合材料进行汽车轻量化设计。

1.2碳纤维复合材料特性分析

1.2.1复合材料力学性能

通过将碳纤维复合材料与其他材料进行对比可知，碳纤维复合材料的比强度和比模量均高于铝合金，可以替代铝合金，降低整车重量，其效率高达20%～40%。

1.2.2复合材料耐疲劳性能

材料疲劳是由各种不同的应力所引起的，并且受到各种不同的压力的重复影响而产生疲劳现象。若将出现疲劳现象的材料应用于产品制造中，会导致产品的力学性能产生裂纹、断裂等，从而失去其利用价值。耐疲劳性能是指这种材料能经受各种压力的重复作用，而且能确保产品的使用性能。复合材料的结构以压层法为主，该压层可最大限度地提升材料的疲劳强度，其数值达到90%。

1.2.3复合材料耐腐蚀性能

耐腐蚀性指的是碳纤维复合材料可抵抗周围介质的腐蚀性。以环氧类为基质的碳纤维复合材料，在环氧胶的支撑下，其抗酸碱能力较强，且在酸性和碱条件下仍然保持其原有的特性。

2.车基于碳纤维复合材料的新能源汽车前车门轻量化设计

汽车自诞生以来已经有一百多年的发展历程，随着车辆的发展，越来越多地进入到了我们的生活当中。且对车辆材料的开发也在不断地发展，车辆材料也在不断地发展。为达到减轻车辆重量，降低车辆对环境的影响，采用不同的材料进行复合是目前汽车行业发展的一个主要方向。汽车材料的广泛应用是发展的方向，其实质是采用铝合金、镁合金等轻量化材料取代原有的车体材料，充分利用材料自身的优良特性，从而提高车辆的重量。这就要求汽车在选择汽车时，要充分利用各种材质的优点，以达到“在不同的位置使用不同的材质，以满足整体的要求”，这就要求汽车的造价和性能，而不是单纯的使用经验。

复合材料在推进汽车轻量化方面发挥了重要作用，其应用范围很广，主要应用于制造汽车的结构零件和包壳等。其强度只有普通钢的四分之一，具有较高的强度和较好的耐疲劳等优异的特性，适用于车辆，可以显著减轻重量。通用雪佛兰，宝马，丰田等已经在汽车上碳纤维复合材料得到了广泛的运用。尽管近年来碳纤维复合材料越来越多地应用于汽车，但其发展速度仍然受到诸多问题的制约。比如国内现有的碳纤维复合材料成排技术水平比较低，技术开发经验不足，维护系统不完善，制造和使用的费用高，都限制了其在汽车中的发展和应用。

3.基于碳纤维复合材料的新能源汽车前车门轻量化设计

3.1碳纤维复合材料前车门有限元模型构建

本文针对新能源汽车的车门进行了有限元计算，仅对新能源汽车的车门进行了结构分析，为最大限度地减少网格数量，现只对新能源汽车前车门的结构件进行分析。目前，碳纤维复合材料在很多行业中得到了广泛的运用，在新能源汽车的车门生产中，采用这种材料进行车身的制造，可以使车身的整体重量达到最小，从而提高整车的综合性能。为了减轻车辆重量，通过轻量化技术将汽车前车门的内外板上集成部分零件，同时对车身进行了简单设计。通过去掉原有的加工孔洞，可以达到提高车辆品质的目的。

为了对碳纤维复合材料进行可视化定义，本文采用了基于Ply+Stack模式的车辆车门单元的有限元建模方法，通过该方式可完成碳纤维复合材料铺层的定义，便于设计人员更好地了解其铺装的结构。碳纤维复合材料可视化定义流程：在Ply卡上实现了碳纤维板的层压，并准确地确定了各层板的面积和厚度。在确定了碳纤维复合材料的基础上，采用Stack卡将已确定好的Ply板按特定的排列次序进行重叠，即可实现碳纤维复合材料的可视化定义，并且该方式具有较强的精准度。

3.2碳纤维复合材料汽车前车门模态分析

本文在对车门进行模态分析时，以讯号域识别技术为主，并将识别讯号域之差异性与车门的识别方法相融合，将车门模态识别方法分为频域识别与时域识别。在此基础上，采用频率域法进行模态识别的基本步骤如下：将时域的信号转换成能够被识别的频率域波，再利用频率域波对基板进行模态识别。时域方法的车门模态识别流程为：先求出车辆前后门的测量时刻，然后将此时刻对应于模式，从而实现对门的识别，其识别指标包括：振动频率、阻尼等。为了减少各模式间的耦合，仅对车辆的固有模态进行分析，有利于防止汽车出现共振情况。

3.3碳纤维复合材料汽车前车门刚度分析

汽车的车门密封性能和刚性有密切的联系，如果车身的车门有很大的变形，会导致车门的密封性能损坏。如果汽车的车门具有较高的刚性，可以有效地防止车门的变形，从而提高车门的密封性能。为此，本研究对汽车前车门的下弯、扭转以及汽车内外板刚度进行分析，并将其与车身的刚性进行了对比，得出的结论是：该车门各种类型的刚度均大于参考值，具有较强的刚度特性。

3.4碳纤维复合材料汽车前车门静强度分析

为了检验以碳纤维为主的汽车车门结构的力学特性，本文运用静态强度法对其进行了试验。通常情况下静态强度主要包括过开以及下垂静强度分析。分析表明：采用碳纤维材料制造的汽车的车门结构，其稳定性和耐用性都很高，对提高车辆的安全性能也有很大的帮助。

3.4.1汽车前车门过开静强度

对汽车前车门的过开静强度进行分析时，其分析流程为:

（1）将车辆的车门打开到最大66度，从门上的铰接安全点出发，在X向、Y方向上，将白车身的截面和炮塔限制在SPC1-6；

（2）加载车门自重G分析，然后保持自重G;

（3）将400N的作用力从闭锁位置沿门外板表面施加，并且执行位移解析；接着，继续维持重力G，将400N的作用力从锁上卸下来，并对其进行位移计算。

3.4.2汽车前车门下垂静强度

对汽车前车门的下垂静强度进行分析，其分析流程为:

（1）以门的铰接安全点为起点，分别沿着正负X向和Y向对白车身有限元模型进行截取，精确地测量了15度和66度的开启状态；

（2）将白车身的截面和炮塔限制为SPC1-6，并限制门外侧面板在锁定状态下的垂直自由；同时，本文还对汽车的车门进行了自重G的计算。在此条件下，完成车门垂向自由度的释放；

（3）将1000N的作用力在闭锁位置上的门外侧面板上，以对下降的位移进行解析；在继续维持重力G的同时，卸载10000N的作用力后，又进行了下垂的变形计算。采用碳纤维复合材料制作的车门，可以有效提高车门的过开以及下垂静强度，在所有方面都要比普通的金属门好，可以最大程度的适应新能源汽车的各种需求。利用碳纤维材料的优点，对新能源车辆车门进行了轻质化，从而达到减轻车辆重量的效果。最后，经计算得出，该车辆的减重效率为54.94%，符合其设计目标和需求。

4.结束语

综上所述，轻量化方案由于大量采用碳纤维复合材料，车门整体强度比原用材有了明显提升，这是轻量化的基础，也是汽车车身轻量化的主要方向。采用这种材料对新能源汽车前门进行减重，使其重量减轻，汽车轻量化效果为54.94%，满足了新能源汽车的设计目标和需求。

参考文献

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