碳纤维复合材料对汽车轻量化概念的应用，以及其制备与设计方法
前言
传统的汽车保险杠通常采用金属材料制造，常见的是经过表面处理的厚度超过3毫米的钢板，通过焊接或铆接等方式连接到车身主体上。
但这种方式会导致与车身之间存在较大的间隙，不仅降低了整体美观性，而且由于金属材料过重，车辆在行驶过程中惯性增大，制动距离延长，安全性受到影响。
而且金属材料容易受腐蚀影响，从而缩短汽车的使用寿命。金属材料的抗冲击性能相对较差，不能很好地保护乘车人员的人身安全。
人们急需寻找一种性能更为卓越的材料，以取代传统的金属材料，既能降低车身重量，又能提高安全性。
上世纪片状模塑料首次应用于汽车保险杠中，取得了显著效果。汽车用纳米聚丙烯复合材料制造的保险杠取代了传统的金属材料，使得保险杠厚度减少了25%，质量降低了约33%。
碳纤维材料开始引起广泛关注，逐渐应用于汽车保险杠领域。碳纤维材料具有90%以上的碳含量，由碳元素构成，通过碳纤维增强的塑料复合材料制成。
这种材料密度低，通常只有钢材的五分之一左右，但比强度却达到钢材的10倍甚至更高。虽然碳纤维复合材料成本较高，但其轻质高强的特性使其成为汽车保险杠的首选材料之一。
碳纤维塑料复合材料，不仅能减轻车身重量，提升能源利用效率，还能在碰撞事故中提供更好的保护，提高行车的安全性。
碳纤维塑料复合材料在汽车保险杠设计中的应用将成为未来发展的重要方向。
碳纤维增强塑料复合材料
碳纤维增强塑料复合材料（CFRP）是一种性能卓越的复合材料，由连续的碳纤维与塑料基体通过特定成型方法相结合而成。
如图所示，CFRP材料具有轻质且出色的能量吸收性能，可用作结构材料，并且对于大型零部件的一次成型也降低了制造难度。
连续碳纤维是由人造丝、沥青纤维或聚丙烯等纤维经过碳化制备而成，具备高长径比、强度和刚度等特点。
一般用于汽车保险杠的CFRP材料是将连续碳纤维与环氧树脂基体相结合制成的碳纤维增强环氧树脂复合材料。环氧树脂是一种优异的热固性塑料，具有低密度、高力学强度和刚度等特点，非常适合轻量化的汽车保险杠设计。
如表格所示，与玻璃纤维增强聚丙烯复合材料和铝合金相比，碳纤维增强环氧树脂复合材料具有较小的密度和较高的强度，表现出出色的力学性能。
对碳纤维增强环氧树脂复合材料进行力学性能测试。拉伸试验表明，在试样的薄弱区域首先发生断裂，伴随着纤维丝的断裂，并伴有明显的脆性断裂特点。
拉伸-位移曲线呈线性上升趋势，显示该复合材料的脆性特性。通过国标GB/T 1449-2005进行弯曲试验，试样首先出现开裂，然后发生断裂。
在试样的压缩侧，出现了挤压斜裂纹，在拉伸侧则是拉伸裂纹，呈现出分层开裂的现象。
通过MAT54建立仿真模型，分析了碳纤维增强环氧树脂复合材料的应力应变行为。
仿真结果与实际测试结果相似，显示复合材料的拉伸强度最大为802 MPa，弹性模量最大为58.5 GPa，这表明其具有出色的力学性能。由这种材料制成的汽车保险杠具有卓越的防撞击性能和安全性能。
一体式防撞梁结构的汽车保险杠
针对一体式的汽车保险杠，常采用中空结构，内部填充高吸能泡沫材料，以碳纤维增强环氧树脂复合材料制造保险杠本体。
先建立保险杠的有限元模型，结合结构特征和成本，采用超立方采样（LHS）方法确定设计变量，选取80个样本点和20个验证点，对板厚变量进行调整。然后构建Kriging近似模型，表中选择高精度的Kriging模型形式。
使用INF和RCF参数来评估横梁式保险杠的碰撞安全性，小的INF值表示更强的保护能力，而小的RCF值表示较好的耐碰撞性能。
之后采用遗传算法对上述Kriging模型进行求解，以实现多次优化调整。
根据优化后的方案，运用计算机辅助设计（CAD）和有限元方法等进行模拟计算。通过CAE技术对保险杠的耐碰撞性能进行仿真分析。
研究结果表明，以碳纤维增强环氧树脂复合材料作为原材料，保险杠的质量从初始的2.5 kg降至1.6 kg，实现了质量减轻36%的显著效果。
在保证碰撞性能约束的前提下，通过计算机辅助设计和优化，采用碳纤维增强环氧树脂复合材料，能够显著地实现汽车保险杠的轻量化效果。
改进的汽车保险杠
改进后的汽车保险杠采用分体式结构，引入了蒙皮和吸能装置，以进一步提升碰撞吸能能力，相对于传统一体式结构，其防撞性能更加出色。 蒙皮是保险杠最外层的覆盖部分，虽不具备抵御撞击的特性，但在整体结构中起到了覆盖作用。
考虑到蒙皮的尺寸较大，采用轻质材料进行制造可以有效减轻保险杠质量。且流线型的设计不仅可以降低汽车行驶时的空气阻力，还能够提升保险杠的外观美感。
吸能装置位于蒙皮与保险杠梁之间，其主要功能是在碰撞过程中吸收冲击能量。通常采用方形或圆形结构，设计时需结合实际碰撞情况，优化其安装角度，以最大限度地吸收冲击能量。
常见的吸能装置采用碳纤维增强环氧树脂复合材料（CFRP）制造，例如正四棱锥折纹薄壁管形式的吸能盒。该结构在受到轴向力撞击时，各折角将会变形，使吸能盒压溃，从而产生较大的塑性变形，进一步提升吸能性能。
保险杠梁又称为防撞梁，它将撞击力更好地传递至吸能装置和前纵梁，同时也能够部分吸收能量。
为了降低车身阻力，防撞梁通常采用弧形设计，并配备肋板结构。CFRP具有高强度和优异的传递撞击力能力，其各向异性使其成为理想的材料选择。
铺层角度的选择对性能影响较大，根据不同碰撞类型进行优化设计，可在碰撞时实现能量的分散和传递。
防撞梁的厚度并非越大越好，而且不同部位的厚度应有所差异。在高速碰撞时，能量远高于低速碰撞，保险杠可能会严重变形，吸能装置的保护能力可能较低。
保险杠的吸能值主要依赖于防撞梁的厚度。对于防撞梁厚度的优化，需要综合考虑吸能和加速度，选择不同部位的不同厚度。
将吸能装置与防撞梁组合为保险杠系统，进行整体仿真碰撞试验。通过计算机辅助设计和优化，该保险杠系统在低速和高速碰撞情况下都能够显著提升防撞性能，同时保持优越的轻量化性能。
可以进一步改进原材料，例如添加橡胶层，以进一步提升防撞击性能。
通过引入蒙皮和吸能装置，优化防撞梁设计，并结合计算机仿真，汽车保险杠的性能得到了显著提升，从而提高了汽车的整体安全性能。
结论
在汽车速度不超过4 km/h时发生正面碰撞，车身纵梁和座舱等结构保持较小的形变，这突显了汽车保险杠在保障安全驾驶方面的重要性。
降低车身质量有助于改善汽车的加速和制动性能，减少惯性效应，分散碰撞能量，从而进一步提升安全性能。
采用轻质材料是实现汽车轻量化的根本途径，其中碳纤维增强环氧树脂复合材料作为一种轻质高强材料备受青睐，尽管成本较高，但其卓越性能使其广泛应用。
在传统的一体式汽车保险杠结构中，仅含有中空防撞梁的设计，内部填充了吸能泡沫，虽然轻量但安全性能有所不足。
改进后的保险杠结构引入了蒙皮、吸能装置和防撞梁，虽然整体体积有所增大，但借助计算机辅助设计和仿真模拟技术，采用轻质的碳纤维复合材料。
并对各组件的厚度和结构进行优化，能够在确保安全性的前提下设计出更轻的保险杠。这种设计在一定程度上也能够降低生产成本，为汽车制造企业提供有力的理论指导。
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