碳纤维复合材料防撞梁与吸能盒技术简析

　　汽车碰撞事故一般有正面碰撞、侧面碰撞、追尾、翻车这几种类型，而有近一半的碰撞事故是由各类正面碰撞造成的，正面碰撞事故成为大约55％的交通事故死亡人数的主因，比其他类型的碰撞更容易造成更严重的伤亡后果。

　　近年来，世界各国针对汽车的防撞安全问题发布了相关的法规，并形成了有*性的安全标准体系。例如美国的FMVSS、IIHS、US-NCAP，欧盟的ECE、E-NCAP等安全法规体系已被各大汽车公司作为研发时的重要参考标准，其中，针对汽车正面低速碰撞的评价体系主要包括FMVSS581、ECER42、IIHS。我国也颁布了《乘用车正面碰撞的乘员保护》（GB11551-2003）等强制标准，将汽车被动安全提高到一个更加重要的位置。

　　防撞梁和吸能盒工作原理

　　防撞梁是汽车发生正面碰撞时首先接触碰撞物体的车身部件，其能起到抵抗冲击、吸收一部分撞击能量，并将撞击力传递到后侧的吸能盒及前纵梁的作用。吸能盒是碰撞发生时保险杠系统吸收能量的主要部件，通过焊接或螺栓等其他连接方式与汽车的防撞梁及前纵梁前后相连，其利用撞击力作用下金属的塑性变形产生压溃，将内能转化为变形能，吸收掉一部分汽车碰撞时的动能。与自由防撞梁而无吸能盒结构的一体式保险杠相比，防撞梁与吸能盒组合式的系统结构在防撞性能上更为可靠。但是，传统的防撞梁和吸能盒一般由钢、铝等金属材料制成，这在一定程度上限制了车辆的轻量化水平。

　　碳纤维复合材料的轻量化与高能量吸收率

　　碳纤维材料的密度仅为1.6g/cm3，强度却能达到2000MPa以上，相对于高性能钢，可减重60％以上，相对于铝合金，也能减重40%左右，将其应用于汽车部件中，轻量化效果明显。无锡威盛新材料科技有限公司为国内某汽车品牌生产的一款碳纤维复合材料低速吸能盒，整个盒体净重仅为463克。根据该公司碳纤维轻量化部件开发部负责人戚工提供的资料，使用碳纤维材料制作汽车吸能盒，不仅使构件质量比原金属材料降低60％-80％，还能使弹性变形成为低速碰撞下的主要变形形式，增加能量吸收率。

　　有关碳纤维性能报告中的一组数据表明：除了高比强度、高比模量、耐腐蚀、耐高温、整体成型性强以及性能可设计性等优良特性外，碳纤维复合材料面冲击时的能量吸收率非常高，甚至比钢、铝等材料要高出4倍以上，因此非常适合用于汽车容易发生撞击的部位，如正面的防撞梁以及吸能盒。

　　防撞梁与吸能盒的结构形式

　　在利用碳纤维复合材料制作防撞梁和吸能盒时，必需要注意防撞梁和吸能盒的结构设计也会直接影响其吸能效果，理想情况下，防撞梁在低速碰撞中不发生或仅发生很小的结构破坏，并能恢复原状，可以使得维修成本较低；在中高速碰撞中不但能传递较大的撞击力，也能通过自身的结构破坏吸收一部分能量，进一步保证车内人员的安全。因此，从结构上说，双层防撞梁结构综合性能更好。常见的吸能盒截面形式有方形、六边形、圆形等，其中，方形截面的吸能盒结构简单，易于制造及安装，被广泛应用于轿车类的吸能盒设计中。为了使吸能盒在轴向力压缩作用下发生尽可能多的塑性变形，增加吸能值，在使用碳纤维复合材料制作吸能盒时，一种有效的办法是增加其轴向的材料面积，轴向面积与吸能盒的荷载、溃压紧密相关。

　　碳纤维复合材料铺层形式影响耐撞性能

　　碳纤维复合材料的高强度特性使其抵抗和传递撞击载荷的能力很强，并且作为一种各向异性材料，不同的铺层形式对碳纤维材料的性能有着显著的影响，因此，可以通过对其铺层的设计实现耐撞性的进一步提高。

　　在确定整体结构的情况下，可通过研究和实验比较获得耐撞性能*的铺层形式。通常情况下，碳纤维材料中的0°铺层用于承受轴向载荷，±45°铺层承受剪切载荷，90°铺层承受横向载荷及控制层合板的泊松比。防撞梁和吸能盒在遇到碰撞时，受力情况比较复杂，既承受轴向载荷和横向载荷，也承受剪切载荷。因此，在铺层设计中应充分考虑各种铺层所占比例及布置位置对其耐撞性能的影响，既要保证保险杠的吸能值，又不能使加速度值过大。

　　总之，结构形式的设计和碳纤维复合材料的铺层设计是影响和决定碳纤维复合材料防撞梁和吸能盒防撞性能的主要因素。但是，在汽车的轻量化应用中，如何发挥出碳纤维材料的性能优势，增加汽车的安全性配置，仍需要更多的有限元分析以及优化研究。