摘 要： 通过实验与仿真建立了CFRP复合材料的本构模型. 对某商用车白车身驾驶室进行静刚度和动态力学分析，在满足驾驶室车身刚度要求的条件下，选取CFRP复合材料对驾驶室模型进行材料代替，设计了钢/CFRP混合材料结构的驾驶室模型，并以通用有限元软件nastran对其求解. 仿真结果表明，轻量化后的驾驶室模型的刚度基本保持不变，一阶扭转频率提升了27.3%，同时白车身驾驶室整体质量下降37.9 kg，降幅达到11.3%，轻量化效果显著，CFRP复合材料在汽车轻量化领域具有广阔的发展前景.

关键词：轻量化；CFRP；商用车驾驶室；刚度；模态分析

车身轻量化是当今汽车行业发展的趋势之一. 大多数专用车车身的重量约占整车总重的40%～60%，因此，对车身的轻量化设计是降低整车质量的主要途径之一. 商用车驾驶室作为非承载部件，对其进行轻量化设计不仅能够降低整车质量节约成本，同时也对环境更加友好. 车身轻量化的主要途径有轻量化材料的应用、结构优化设计和制造工艺的改进. 碳纤维增强聚合物基复合材料(carbon fiber reinforced polymers，CFRP)轻量化效果明显，其设计性良好以及制备工艺完善，有着良好的应用前景.

Liu等通过多尺度方法验证了CFRP复合材料的本构模型，设计出满足碰撞性能的CFRP复合材料电动车车身骨架，同时车身质量明显降低. Do-Hyoung Kim等通过优化设计和冲击分析相结合的过程，将玻璃/碳纤维复合材料代替传统的玻璃纤维保险杠梁，重量减轻33%的同时并且冲击性能得到改善.

本文在对某重型商用车驾驶室轻量化研究的过程中，根据驾驶室力学性能的仿真结果，选取CFRP复合材料对驾驶室模型进行材料代替，对轻量化后的模型进行模拟分析，再和原有模型进行对比，验证采用CFRP后的模型的刚度与模态是否满足设计要求，进而完成车身轻量化的设计目标.

1 复合材料性能测试

本文中涉及的材料为碳纤维增强环氧树脂基复合材料，采用将碳纤维束正交对称的方式编制而成. 其特点是比模量、比强度高，抗疲劳和减震吸能的效果比较明显.

为了提高模型计算的准确性，需要准确的获取CFRP复合材料的力学性能. 本文对CFRP复合材料分别进行拉伸和弯曲试验. 其中两组试验样件数量为7件，选取其中5组试验完好的样件数据进行计算. 其力学性能见表1.

为了验证力学性能参数的准确性，通过有限元软件ABAQUS建立CFRP复合材料板的有限元模型，计算提取去除刚体模态后的前六阶固有频率及振型. 再对CFRP复合材料板进行试验模态分析(图1). 通过对比试验模态与计算模态的结果(表2)，考虑到CFRP复合材料板质量较轻以及加速度传感器移动时以及自身质量对试验结果的影响，试验与仿真的结果在可接受范围之内.

2 白车身驾驶室有限元分析

2.1 有限元模型的建立

采用hypermesh对驾驶室模型进行CAE分析前处理，对模型中的部分小尺寸构件进行优化处理. 驾驶室构件主要为薄壁冲压件，主要选用四边形壳单元进行模拟，单元总数量为510 527个，其中三角形单元有15 292个. 构件之间采用ACM单元焊点连接[4]. 图2为驾驶室CAE模型.

2.2 有限元模型动刚度和模态分析

2.2.1 有限元刚度分析

计算商用车驾驶室在弯曲和扭转工况时，约束驾驶室后悬置弹簧支座位置方向的所有自由度以及前悬置弹簧支座Z方向的平动自由度. 弯曲工况在前悬置左右支座位置附近设置大小为1 500 N的Z向均布载荷，模拟人和座位的质量；扭转工况下，在前悬置弹簧支座处施加一对大小相等方向相反的铅锤力，大小为3 750 N[5]，计算并查看应力云图，如图3所示.

由应力云图分析可得，弯曲工况下变形主要是集中在前围及地板纵梁前端部分. 座位处地板的变形量为0.622 mm，弯曲刚度的大小为4 823.2 N/mm. 扭转工况下驾驶室左右前柱变形量最大，其中地板纵梁悬置支座位置处Z向位移的大小为2.064 mm，通过计算相对扭转角度为0.227°，根据公式计算得出扭转刚度为17 621.1 N·m/(°).

2.2.2 有限元模态分析

对驾驶室进行模态分析，采用Nastran作为求解器提取白车身驾驶室前6阶的固有频率及振型，重点关注前几阶模态频率尤其是第一阶固有频率[6]，其余几阶模态如表3所示.

3 白车身驾驶室轻量化设计与分析

3.1 轻量化设计

本文以减轻驾驶室质量和提高一阶扭转频率为目标，在有限元刚度分析模型的基础上，选出可以进行优化的零部件，对驾驶室中所受载荷复杂、起到承载功能的构件不参与轻量化设计. 考虑到顶盖、侧围、后围板在驾驶室中对质量贡献率较大[7]，且形状比较规则完整，在工艺的操作性上容易成形，故将上述构件作为轻量化研究的对象. 由于CFRP复合材料属于脆性材料，在其上开孔会破坏碳纤维的连续性，导致局部应力集中，所以本文研究的过程中主要是以胶结方式对CFRP复合材料与金属件之间进行连接.

3.2 静刚度分析

在对白车身驾驶室进行轻量化设计之后，其质量由原来的336.6 kg下降到现在的298.7 kg，轻量化达到了37.9 kg，降幅达到了11.3%. 弯曲工况下，驾驶室Z方向位移和地板处位移分别下降了0.012 mm和0.011 mm，弯曲刚度为4 910.0 N/mm，扭转刚度计算出为17 167.4 N·m/(°)，与原模型的对比见表4. 除了扭转刚度有略微的下降之外，其余各项性能参数有有所提升，在降低白车身重量时，驾驶室的各项性能都保持稳定.

3.3 驾驶室动态性能评价

对轻量化后的白车身进行自由模态分析，其结果和原模型进行对比，如表5所示. 其一阶扭转频率为27.38 Hz，较原模型增加了5.88 Hz，提升23.7%，其他各阶频率也都有相应的提升，轻量化后的模型达到了一阶扭转频率提升目的.

通过表5可知，轻量化后的驾驶室模型一阶扭转频率在27.38 Hz，而发动机怠速的激励频率在30 Hz附近，介于第一阶驾驶室固有频率和第二阶固有频率之间. 除了前两阶频率接近怠速频率，容易引起共振外，驾驶室的其他阶次模态基本上避开了外界激励频率. 对于接近怠速运转频率模态情况，在后续的研究中可考虑提升车身的整体或局部刚度—采用CFRP复合材料对驾驶室骨架进行设计或局部设计.

4 结束语

通过仿真模拟，对白车身驾驶室进行静刚度和动态性能分析，可以得出相关结论. 首先，以试验模态与计算模态建立并验证材料的本构模型，提高了验证模型本构条件的效率，同时也保证了精度. 其次，将CFRP复合材料与传统的高强度钢材对比可以发现，CFRP复合材料在车身轻量化方面有明显的轻量化效果，驾驶室总质量降低了37.9 kg，降幅达11.3%，且静刚度和动态力学性能保持稳定，其中一阶扭转频率还提升了27.3%. 可见CFRP复合材料自身优良的特性是满足轻量化设计的保证，CFRP复合材料在轻量化市场中有良好的应用前景.

来源——期刊：北京理工大学学报

作者：谢小平，陈伟

单位：湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室