摘 要

碳_.纤维增强复合材料（CF_.RP）是一种具有高比强_.度、高刚_.度同时密度较_.低的复合材料。随着碳纤维复合材料在各个行业中的到越来越广_.泛的应用，CFRP也逐渐成为汽车行业中的实现轻_.量化的主_.力材料。将其应用于汽车引擎罩上，可在保证引擎罩的强_.度、刚度不变的情况下大大减少引擎罩的质_.量，实现汽车的轻量化，并且大大提高对行人的被动保护性能。

基于碳纤_.维复合材料的材料特性以及本文的研究目标，本文展开了如下的研究：

（1）阐述了国内外对CFRP的研_.究与应用现状，并分析了近年来国内外学者对CFRP应用于汽车引擎_.盖的研究，比较后指出部分研究的不足，以及在他们之上进行更深入的研究的必要性。

（2）通过Hypermesh对某款钢_.制汽车引擎罩进行有_.限元网格划分，并通过ABAQUS赋予不同轻量化材料后进行对其强_.度、刚度、模_.态频率、等工况进行仿真分析得到对照数据。

（3）将无泡沫夹层的引擎罩与有泡沫_.夹层的引擎罩进行性能的对比，并且改变泡沫夹层厚度，研究泡沫夹层厚度对引擎罩刚度的影_.响规_.律。

（4）改变碳纤维铺_.层的设置参数，研究不同碳纤_.维铺层参数的情况下，引擎罩的性能变化规_.律。

（5）进行行人头部碰_.撞安全性验证，综合前述研究设置若干引擎罩结_.构参数进行行人保护验_.证仿真试验。

关键词：轻量化；CFRP；汽车引擎罩；泡沫夹层；行人保护

ABSTRACT

Carbon Fiber Reinforced Polymer（CFRP）is one kind of composite material with remarkable characteristics of high specific strength and specific stiffness as well as low density. As Carbon Fiber widely used in various industries, CFRP is becoming the main stream material to attain the goal of the lightweight of automobile. By applying CFRP to automobile engine hood, the weight of engine hood can be reduced considerably, achieving the lightweight of automobile, at the same time, the passive protection of pedestrian safety can be improved dramatically.

Basing on the material’s property of Carbon Fiber Reinforced Polymer and the aim of this research, this thesis has conducted following research:

(1)Both studies and applying status in domestic and abroad are illustrated. By analyzing the studies that carried out by domestic scholars and overseas scholars, this thesis points out the deficiencies in those researches and the necessity of further researches.

(2)A specific automobile engine hood, which is made of steel, is meshed by Hypermesh, and analyzed the characteristics such as strength, stiffness, modal frequency after assigning different lightening materials by ABQUS/Explicit. The data that attained from ABAQUS/Explicit will be served as control data.

(3)Comparing the characteristics of the engine hood without foam structure to sandwich composite engine hood. Further more, the thickness and materials of foam were changed in order to study the effects of the factors which given above on the engine hood stiffness.

(4)The parameters of carbon fiber layers are changed in order to study the effects of those parameters on the characteristics of engine hood.

(5)Head impact experiment was conducted. The material parameters of engine hood were set basing on former analyses, and pedestrian safety experiment was conducted.

Key words: Light weight; CFRP; engine hood; foam layer; pedestrian safety

目录

第1章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外研究现状 5

1.2.1国外研究现状 5

1.2.2碳纤维复合材料国内研究现状 6

1.3本课题研究的目的和意义 7

1.4研究的主要内容 8

第2章 不同材料引擎罩外板的性能对比分析 9

2.1汽车引擎罩的结构与作用 9

2.1.1 引擎罩的结构 9

2.1.2 引擎罩的作用 10

2.2 材料的选择 10

2.2.1 钢 11

2.2.2 铝合金 11

2.2.3 镁合金 11

2.2.4 复合材料 12

2.3模型分析前处理 13

2.3.1有限元分析简述 13

2.3.2有限元网格划分 14

2.4有限元仿真 17

2.4.1 Abaqus中有限元仿真步骤 17

2.4.2弯曲工况仿真分析 19

2.4.3 扭转工况仿真分析 21

2.4.4 模态频率仿真分析 22

2.5 本章小结 24

第3章 含泡沫夹层的引擎罩性能分析 26

3.1纤维复合材料板材定义和特点 26

3.1.1单层板 26

3.1.2 层合板 26

3.1.3单层板与层合板的对比 26

3.2夹层结构与泡沫塑料介绍 27

3.2.1 夹层结构力学模型简化 28

3.2.2 夹层板的位移模型简化 29

3.2.3 泡沫塑料选择 30

3.2.4 泡沫塑料的性能参数 31

3.3泡沫夹层对引擎罩性能的影响研究 32

3.3.1 有泡沫夹层与无泡沫夹层对引擎罩的影响 32

3.3.2泡沫夹层对引擎罩性能的影响及分析 34

3.4 本章小结 39

第4章 碳纤维铺层参数对引擎罩性能的影响研究 40

4.1本章研究内容 40

4.2 碳纤维铺层顺序对引擎罩性能的影响 40

4.2.1 参数设置 40

4.2.2 数据分析 42

4.3 碳纤维铺层厚度对引擎罩性能的影响 43

4.3.1 参数设置 43

4.3.2 数据分析 44

4.4碳纤维铺层角度对引擎罩性能的影响 45

4.4.1 参数设置 45

4.4.2 数据分析 47

4.5 碳纤维铺层数量对引擎罩性能的影响 47

4.5.1 参数设置 47

4.5.2数据分析 49

4.6 碳纤维铺层角度多样性对引擎罩性能的影响 49

4.6.2 参数设置 49

4.6.2 数据分析 51

4.7 本章小结 52

第5章 头部碰撞研究 53

5.1 概述 53

5.2 参数设置 53

5.2.1 头部模型建立 53

5.2.2 引擎罩模型建立 54

5.3 简引擎罩与头部模型撞击模拟 55

5.3.1参数设置 55

5.4 数据分析 57

5.5 本章小结 57

第6章 总结与展望 58

6.1 研究总结 58

6.2课题展望 58

参考文献 60

致谢 62

第1章 绪论

1.1 引言

自能^.源危机以来各国都在努力减少对化石燃料等不可再生能源的依赖。一是经济问题，化石燃料在世界范围内分布的不均匀使得部分国家在获得能源方面要付出巨大经济代价，甚至有时会产生政治冲突。

图1.1原油价格走势图

如图1.1，在2008年以前原油价格呈持续上涨趋势，2008年发生的金融_.风暴使得原油价格暴跌，随着经济回暖，原油价格回复上涨，2015年因为中东政治动荡使得原油价格再次暴跌。因此能源匮乏的国家地区对于能源的支出十分被动，国民经济以及政治均会受到极大影响，随着化石燃料的持续减少，这些影响将会变得愈加激烈。

其次是环境问题，化石_.燃料消耗后的产物对环境的危害已被证实，包括温_.室效应导致的气候问题以及雾霾等大气问题。

据研究，截止至2017年，由人类活动而产生的全球CO₂排放量超过了400亿吨。2017年全球化石燃料和工业的CO₂增长量为2%，伴随而来的是越来越频繁以及越来越激烈的极端天气。斯坦福大学地球系统科学系教授Robert Jackson指出，在2018年全球碳排量不会有下降的趋势。此外，根据中国环_.境监测总站发布的数据报告显示^[1]，2018年2月，京津冀区域13个城市平均空气质量优良天数比例为63.4%，即三天中只有不到两天的空气质量为优良；长三角区域25个城市平均空气质量优良天数比例为80.7%，即每五天就有一天空气质量较差。在北京、上海、广州、深圳这四个一线城市中仅深圳的优良天数比例达到了100%，而这仅仅是一个月份的报告，在雾霾频发的冬季，空气质量优良天数比例将会进一步下降。为了应对温室效应和能源危机等问题，我国在汽车行业的法规、立法方面越来越严格，比如，到2020年CO₂排放量要降至112g/km，平均油耗则要减至4.5L/(100km)。

图1.2历年二氧化碳排放量图

另外，由于化石燃料的不可再生性，人类终有一天要面对没有化石燃料的世界。如今石油占全球能源消耗的32.9%，仍然是全球主要燃料，而中国占了全球能源消耗量的23%，中国工业的能源消耗又占了全国能源总消耗的70%左右^[2]。在工业体系中，汽车工业是我国国民经济的支柱产业之一，2016年我国汽车保有量将近2亿辆，根据普华永道研究报告显示^[3]，2018年全世界汽车产量会达到超过一亿辆，而中国独占40%，由此可见，不管是汽车生产过程抑或是汽车使用过程中消耗的能源，汽车均是我国能源_.消耗的主要对象之一。

图1.3近十年中国汽车产量图

因此实现汽车节能、开发新能源汽车显得尤为重要，而目前人类还无法完全摆脱对化石燃料的依赖，因此减少汽车使用时对能源的消耗是非常有意义的研究点。

减少燃油_.消耗、提高汽车燃_.油经济性可从使用方面与汽车结构方面进行探究。此处我们不讨论使用方面的因素。对于汽车结构方面，有以下四个方面对燃_.油经济性影响较大：

（1）轿车的总尺寸与质量；

（2）发动机的燃烧效率；

（3）传动系的设计，即动力传递过程中动力的损耗；

（4）汽车外形设计与轮胎设计；

汽车轻量化技术即是在保证汽车安全性的前提下，以减轻汽车总质量为手段，达到提高汽车动力性和燃油经济性的目标。研究表明^[4]汽车的质量每降低10%，其油.耗可以下降约9%；而汽车整车质量^.减少100kg，每百_.公里油耗可以下降约0.5L，CO₂的排放量可以减少0.5kg，加速性能升高9%，制动距离可缩短将近10m。由此可见，汽车轻量化可以有效降低汽车成本并有效_.保护环境，并在不久的将来成为汽车企业的核心竞争力之一。与过去相比，现代汽车自身重量已减少了四分之一，并且在将来重量将会继续减少20%。在轿车整车中，车身的质量可达整车总质量的30%，另外轿车车身结构较为简单，设计自由度较高，设计周期短，因此对车身进行轻量化设计有重大_.意义。

实现汽车轻量化有如下三种途径：

（1）进行结构的优^.化设计；

（2）使用新型材料；

（3）优^.化制造工艺；

相对于普通钢制零部件，减重材料的减重比例如表1.1^[5]所示。

由表可见，铝合金与镁合金减重效果非常突出，然而成本是限制它们应用的最大原因。2018年3月镁锭价格为1.48万元/吨-1.53万元/吨，同期铝材价格约13700元/吨，而钢材的价格仅为3000元/吨-5000元/吨。考虑轻量化效果和成本的综合影响，复合材料不但能大幅度降低零部件质量，还能大大减小加工的成本，是实现汽车轻量化的最好选择。

表1.1汽车减重材料减重幅度

在各种复合材料中，纤维增强复合材料（Fiber-Reinforced Polymer）^[6]是目前先进复合材料的代表，具有比.强度高、比模.量大、耐腐蚀性好等优点，广泛应用于建筑、航天航空等工业。由于增强纤维对复合材料的材料属性、力学性能有决定性作用，因此选择增强纤维使先考虑产品需求与材料性能，其次要考虑其工艺性及其经济性，最后其环保性也应在考虑范畴内。纤维增强型复合材料中目前应用最广泛的有两种：长玻璃纤维增强_.聚丙烯复合材料（LGFT）以及连续碳纤_.维增强环氧树脂基复合材料（CFRP）。长玻璃纤维增强_.聚^.丙烯复合材料替换铝材时可使结构减轻11%，而连续_.碳纤维增强环氧树脂基复合材料具有更优异的轻量化性能。

碳纤维增强树_.脂基复合材料（Carbon Fiber-Reinforced Polymer），以碳.纤维为增强纤维，有机合成^.树脂为基体材料的复合材料（本文中采用环氧^.树脂作为基体材料），已经被认为是一种实现汽车轻量化最有前景的新型材料，并已被采用于车辆的设计中，而且在这一领域将扮演越来越重要的角色。碳纤维^[7]是一种含碳量超过90%的纤维状碳素材料，其有相当优异的特性，包括密^.度小、弹^.性模量较高，耐腐^.蚀、强度高等。最早的发明的碳纤维可以追溯到19世纪时，Sir Joseph Wilson Swan和Thomas Alva Edison在制造电灯泡灯丝时制造出的棉_.纤维和竹纤维。1950年开始全世界掀起了研究^[8]、开发碳纤维的热潮。碳纤维凭借着优异的力_.学性能，与基体材料复合后展现出的强大性能和轻_.质的特点使得碳纤维复合材料在众多工业领域中得到广泛应用。与普通钢材相比^[9]，碳纤维具有更高的比强_.度和比_.模量，比强度比钢材高五倍，比模量是铝材的四倍；抗疲劳性更好，在长期交变载荷工况下寿命比金属材料要高；在2012年全球碳纤维的需求量超过四万吨，预计到2020年会超过12万吨^[10]。尽管各大研究所都对碳纤维及其复合物展开了广泛、深入的研究，但影响其大规模应用的还是其成本无法降下来。一方面是因为随着CFRP产量的增加，生产过程中的废弃物也随之增加。随着每一吨CF的产出，大约235GJ的能量被消耗掉，而玻璃_.纤_.维仅为其十分之一。另一方面则是由于CFRP的回收技术尚不成熟，无法有效回收CFRP废弃物。随着CFRP逐渐应用于乘用车，国内也制定了相关车用材料回收政策，2006年颁布的《汽车产品回收利用技术_.政策》^[11]要求自2017起，所有车辆的可回收利用率要达到95%，车用材料的在利用率至少达到85%。因此对CFRP的回收以及其废弃物的再利用技术开发对于CFRP工业迫在眉睫。若可以实现CFRP的有效回收，不仅可以降低CFRP的生产成本，并且可以真正意义上实现节能减_.耗的要求，实现良性循环。目前而言，影响CFRP回收商业化进程的有以下几个原因：

（1）缺乏回收动力。

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