[发明专利]一种复合材料汽车B柱的设计方法

说明书

本发明公开了一种复合材料汽车B柱的设计方法，采用CFRP/高强钢复合结构，进行CFRP铺层设计、CFRP‑高强钢连接设计、CAE建模与仿真分析，性能验证等，可以解决碳纤维‑热成型钢零部件的结构设计优化、性能评价、连接评价等共性技术问题。本发明复合材料汽车B柱的设计方法，所设计的高强钢+CFRP复合结构的汽车B柱相比原结构的汽车B柱强度及刚性约有10%的提升，并且实现碳纤维和金属快速模压一体成型，为产品实现量产提供了充分的验证。

技术领域

本发明涉及汽车零部件生产领域，特别是涉及一种复合材料汽车B柱的设计方法。

背景技术

随着汽车工业的发展，汽车保有量迅速增大，能源问题和环境保护面临严峻形式。汽车轻量化作为有效的应对措施，是当前汽车行业的研究热点。汽车轻量化主要通过对汽车结构进行优化设计减薄厚度等从而减轻质量；或通过新型轻质材料如铝合金、复合材料替换原来的钢铁等材料。

碳纤维复合材料是当前常用材料中性能较为优异的，有着较高的比刚度和比模量。碳纤维复合材料具有轻质、高强度、优良的减震性、耐疲劳和耐腐蚀等优异性能。同时还具有较高的设计自由度，便于对不同部件的设计制造，是较为理想的车用复合材料，在汽车车身及某些部件上得到越来越广泛的应用。

B 柱作为车身典型的结构件，其结构相对独立，B柱为汽车车身在侧面碰撞情况中的主要吸能和承力部件。其抗撞性能是在侧面碰撞工况下决定对人体造成伤害大小的最为关键的因素，B柱所受到的变形情况将会对整个车辆的侧面方向结构都会产生一定量的影响。侧面碰撞时人体的伤害主要是由于头、胸、脊椎以及骨盆部位的冲击所造成的不可逆转的伤害。若其不具有足够的刚度，则将会造成较为严重的伤亡情况。

因此，亟需解决有限元整车碰撞模型计算时间过长及碳纤维增强复合材料铺层厚度、铺层角度与铺层顺序设计的问题。

发明内容

本发明主要解决的技术问题是提供一种复合材料汽车B柱的设计方法，能够解决碳纤维-热成型零部件的结构设计优化、性能评价、连接评价等共性技术问题。

为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种复合材料汽车B柱的设计方法，具体步骤包括：

（100）、B柱结构设计：将B柱结构设计为金属-碳纤维复合材料的复合B柱结构；

（200）、B柱铺层设计；

（300）、强度设计：参考已设计模型及铺层，运用ABAQUS进行仿真设计，有限元计算，包括建立网格模型，定义材料与截面属性，边界条件及载荷；分析对比三种模型计算结果，针对结果进行再设计。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（100）包括：

（110）、B柱结构包括金属B柱主体和复合材料B柱加强板，根据金属B柱模型以及尺寸、外观、性能、材料要求，定义复合材料B柱加强板厚度，复合材料B柱加强板边界位置；

（120）、根据现有模压工艺，规定复合材料B柱加强板的相关重要尺寸大小，限定复合材料B柱加强板孔边距离金属B柱本体的尺寸，胶层边距离金属B柱本体的孔的尺寸。

在本发明一个较佳实施例中，所述金属B柱主体和所述复合材料B柱加强板通过胶层连接，所述金属B柱主体为高强钢B柱主体，所述复合材料B柱加强板为碳纤维增强树脂基复合材料B柱加强板。

在本发明一个较佳实施例中，步骤（110）中定义复合材料B柱加强板为厚度3.9mm；步骤（120）中限定复合材料B柱加强板孔边距离金属B柱本体4mm，胶层边距离金属B柱本体的孔2mm。

在本发明一个较佳实施例中，所述步骤（300）包括：

（310）、网格模型建立：分别对金属B柱主体和复合材料B柱加强板划分网格，形成有限元网格模型；