摘要：本文对采用复合材料对金属汽车发盖进行轻量化再设计的可行性进行了研究。特别地，研究了采用复合材料层压板和夹心结构的两种不同设计方案。根据刚度规格和行人安全要求评估每个配置的可行性。因此，根据规定，头部伤害标准（Head Injury Criteria，HIC）被采用。最后，对复合材料层压板的堆叠顺序进行了优化，以确定最小重量的可行性方案。总之，如果只考虑行人安全和发盖刚度，复合材料似乎比金属合金更可取；但是，在做出最终选择之前，应进行成本和生产分析并进行评估。
关键词：HIC、优化、复合材料层压板、夹层结构、发盖
一、引言
为了确保欧盟达到其温室气体排放目标，2007年制定了一项全球政策，限制在欧盟销售的新车和面包车的二氧化碳排放。新法规（2009年第443/2009号法规（EC））制定的标准规定了两个不同的目标：第一个目标是到2015年实现130克二氧化碳/公里的短期目标，第二个目标是到2020年实现97克二氧化碳/公里的长期目标。汽车制造商采取了有效的战略，以实现其减少有害气体排放和燃料消耗的目标。其中，可以考虑的一个可能的策略是减轻结构。特别是，通过将一辆普通经济型汽车的重量减少10%，可以实现7%的燃油减少。因此，诸如复合材料等替代材料在汽车行业越来越受欢迎。这些材料可以代替传统的金属材料，达到轻量化设计的目的。复合材料比传统材料有许多优点，并且很容易满足结构要求，例如高强度重量比和高能量吸收能力。
车身发盖子系统由不同的子组件组成：发盖、锁、打开系统、撞针和行人安全系统。发盖的设计是为了保护发盖下的系统（即发动机），同时确保行人安全。此外，它必须允许发动机检查和维修。最后，它应该足够坚固，不会被汽车的正常日常使用所损坏。
发盖是是车身的一部分，整个发盖由内板和外板组成，通过围绕发盖边缘的折边连接在一起。现在，发盖的形状是为了满足行人的安全和总刚度要求而设计的。发盖的最初重量（约10公斤）正在减少，重点是改变材料和重新设计发盖内板。发盖的几何形状对行人的安全性有很大的影响。各种形状，如弯曲和成圆，在特定位置增加了软篷的硬度和刚度。因此，这些区域的正面碰撞可造成严重和广泛的损害。因此，增加软区域将包含正面碰撞损伤。发盖的内部具有复杂的设计和几何结构，有助于将应力分布到整个发盖上。此外，它还包括几个用于生产和装配的孔。
二、复合材料层压板发盖优化
第一个发盖优化旨在找到一个重量方面的优化设计，用两种不同的复合材料系统取代原来设计的金属材料：
（1）热固性碳纤维材料：美国东丽复合材料公司（TCA）提供的纤维/环氧T700/2510预浸胶。该材料系统具有132℃固化树脂，仅用于真空袋和烘箱固化。该复合材料系统采用12k丝束、平纹组织（PW）、平纹织物形式。这种材料广泛用于通用航空的主要结构。
（2）热塑性碳纤维材料：TenCate Cetex提供的纤维/聚酰胺T700/PA6预固结层压板。T700/PA6是一种碳纤维增强尼龙层压板，适用于大体积应用。
两种材料系统的性能见表1。
发盖由不同部件组成：外部发盖面板(发盖外板)（图1（a））、内部发盖面板(发盖内板)（图1（a））、发盖铰链支架（图2（a））、铰链支架（图2（b））、铰链（图3（a））和连杆（图3（b））。实体单元被用于离散杆件，而其他组件则通过完全集成的壳单元进行建模。每个护罩部件已经根据翘曲、纵横比、偏斜、最小和最大长度、雅可比（jacobian）和所有元素的最小和最大角度的特定要求离散化。
发盖外板由3层组成，每层厚度等于0.47mm。采用Optistruct软件，通过优化程序，得到了发盖内板的堆叠顺序和层数，该程序由三个阶段组成：
（1） 概念：“自由尺寸优化”计算每个纤维角的厚度分布
（2） 尺寸：“离散尺寸优化”以计算每个纤维角的最佳数量
（3） 顺序：“洗牌优化”以获得最佳堆叠顺序。
组合优化的目的是根据图4中描述的试验，确定内罩板在重量方面的最佳堆叠顺序，能够获得与原始（金属）罩布局在扭转和横向刚度方面相似的柔度值。
复合材料结构的自由尺寸优化创造了一个设计概念。不同的厚度可以与每个单元相关联，因此层压板的总厚度可以在整个结构中“连续”修改，并且在每个点（单元）同时获得复合层压板的最佳成分。最小的两个帘布层和最大的六个帘布层被认为是制造约束。此外，作为设计约束，根据图4中描述的扭转和横向刚度试验，复合材料发盖的总柔度必须与钢发盖布局的总柔度相同。
自由尺寸优化的结果是一个非常不均匀的层压板（无法制造层压板），如图5（a）所示。为了能够经济地生产组件，需要优化过程的第二阶段，即离散尺寸优化（图5（b））。这个优化周期涉及两个目标。首先，应考虑制造约束；其次，在此阶段，优化器应针对离散的、可制造的铺层厚度。
三个方向上的加速度通过放置在冲击器质量中心的加速计测量。加速度计通过放置在同一位置的节点进行了数值模拟，允许在局部和全局坐标下评估碰撞块的位移，如图8所示。对所有目标点执行分析后，将评估每个目标点的HIC值。然后，将该HIC“离散映射”插值到表面目标点上，以评估HIC 1000以上的面积百分比，该面积百分比要求低于33%。在图9和图10中，分别显示热固性和热塑性材料的结果。
如表2所示，通过更换发盖材料，可以显著改善HIC性能，使发盖净重降低约49%。
三、夹芯层结构发盖优化
一种特殊的复合材料是夹层结构的复合材料，它是由两层薄而硬的表皮粘合在一个相对较厚的轻质芯上制成的。不同的结构和材料可用于夹芯层，视具体应用而定。不同芯材的示例包括聚合物和金属泡沫和不同的蜂窝结构。夹芯板的抗弯刚度与其厚度的立方成正比。因此，夹芯的目的是增加刚度增加面板的横向尺寸与低密度核心材料，导致高刚度增加面小附加重量。
通常，在夹芯板中使用泡沫来分离两个外皮。它们可以是封闭式单元，也可以是开放式单元。开孔结构泡沫的特征是孔隙连接在一起，在相对较软的泡沫内形成网络。另一方面，闭孔泡沫由于其结构更紧凑，抗压强度更高。然而，需要更多的材料，从而增加了与生产有关的成本。泡沫芯夹层板具有很高的比强度和能量吸收能力，特别适合于碰撞保护应用，例如用于行人保护和头部碰撞的汽车罩。
尽管开孔和闭孔泡沫与蜂窝相比具有较低的强度和刚度重量比，但它们在制造成本和易加工性方面具有一些优势。而且，泡沫具有很高的隔热性、隔音性，大多数泡沫的闭孔结构保证了结构的封闭性，减少了水的渗透。第二个发盖优化的目的是找到一个最佳的设计，在重量方面，取代原来设计的金属材料的夹层结构。所采用的材料系统为夹层蒙皮的热固性T700/2510（表1）和芯材的泡沫AIREX C70.40（表3）。
图11显示了夹层结构的发盖设计。与前一种情况一样，对堆叠顺序进行了优化，以确定在可行配置中具有最小重量的配置。在优化过程中，为了简洁起见，基于本文未报告的初步分析，假设泡沫芯的值为常数。为了评估每个解决方案的可行性，进行了扭转和横向刚度试验（图4），目的是获得与原始金属罩布局相似的柔度。此外，如前一节所述，是可行的。
图12中报告的最佳夹层罩设计。此配置的HIC评估如图13所示。
在表4中，比较了所有分析设计的HIC和重量。事实上，夹层罩的设计可以降低重量，改善HIC性能。
四、结论
本文对采用先进复合材料对金属发盖部件进行轻量化再设计的可行性进行了研究。每个配置都需要满足行人安全和发盖刚度要求。然而，在成功实现可行的解决方案之前，还需要解决其他一些需求和约束。讨论了两个案例：复合材料在钢制发盖设计中的应用（内外板）和发盖夹层结构的设计。两种设计都保证了足够的强度和良好的能量吸收。此外，热塑性复合材料还具有满足车辆可回收性要求的附加优点。总之，如果只考虑行人安全和发盖刚度，复合材料似乎比金属合金更可取；但在实际应用之前，应进行成本和生产分析并进行评估。
