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閱讀：1737發(fā)布時(shí)間：2016-12-27
汽車碰撞事故一般有正面碰撞、側(cè)面碰撞、追尾、翻車這幾種類型，而有近一半的碰撞事故是由各類正面碰撞造成的，正面碰撞事故成為大約55％的交通事故死亡人數(shù)的主因，比其他類型的碰撞更容易造成更嚴(yán)重的傷亡后果。
近年來，世界各國針對(duì)汽車的防撞安全問題發(fā)布了相關(guān)的法規(guī)，并形成了有*性的安全標(biāo)準(zhǔn)體系。例如美國的FMVSS、IIHS、US-NCAP，歐盟的ECE、E-NCAP等安全法規(guī)體系已被各大汽車公司作為研發(fā)時(shí)的重要參考標(biāo)準(zhǔn)，其中，針對(duì)汽車正面低速碰撞的評(píng)價(jià)體系主要包括FMVSS581、ECER42、IIHS。我國也頒布了《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》（GB11551-2003）等強(qiáng)制標(biāo)準(zhǔn)，將汽車被動(dòng)安全提高到一個(gè)更加重要的位置。
防撞梁和吸能盒工作原理
防撞梁是汽車發(fā)生正面碰撞時(shí)首先接觸碰撞物體的車身部件，其能起到抵抗沖擊、吸收一部分撞擊能量，并將撞擊力傳遞到后側(cè)的吸能盒及前縱梁的作用。吸能盒是碰撞發(fā)生時(shí)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)吸收能量的主要部件，通過焊接或螺栓等其他連接方式與汽車的防撞梁及前縱梁前后相連，其利用撞擊力作用下金屬的塑性變形產(chǎn)生壓潰，將內(nèi)能轉(zhuǎn)化為變形能，吸收掉一部分汽車碰撞時(shí)的動(dòng)能。與自由防撞梁而無吸能盒結(jié)構(gòu)的一體式保險(xiǎn)杠相比，防撞梁與吸能盒組合式的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在防撞性能上更為可靠。但是，傳統(tǒng)的防撞梁和吸能盒一般由鋼、鋁等金屬材料制成，這在一定程度上限制了車輛的輕量化水平。
碳纖維復(fù)合材料的輕量化與高能量吸收率
碳纖維材料的密度僅為1.6g/cm3，強(qiáng)度卻能達(dá)到2000MPa以上，相對(duì)于高性能鋼，可減重60％以上，相對(duì)于鋁合金，也能減重40%左右，將其應(yīng)用于汽車部件中，輕量化效果明顯。無錫威盛新材料科技有限公司為國內(nèi)某汽車品牌生產(chǎn)的一款碳纖維復(fù)合材料低速吸能盒，整個(gè)盒體凈重僅為463克。根據(jù)該公司碳纖維輕量化部件開發(fā)部負(fù)責(zé)人戚工提供的資料，使用碳纖維材料制作汽車吸能盒，不僅使構(gòu)件質(zhì)量比原金屬材料降低60％-80％，還能使彈性變形成為低速碰撞下的主要變形形式，增加能量吸收率。
有關(guān)碳纖維性能報(bào)告中的一組數(shù)據(jù)表明：除了高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐高溫、整體成型性強(qiáng)以及性能可設(shè)計(jì)性等優(yōu)良特性外，碳纖維復(fù)合材料面沖擊時(shí)的能量吸收率非常高，甚至比鋼、鋁等材料要高出4倍以上，因此非常適合用于汽車容易發(fā)生撞擊的部位，如正面的防撞梁以及吸能盒。
防撞梁與吸能盒的結(jié)構(gòu)形式
在利用碳纖維復(fù)合材料制作防撞梁和吸能盒時(shí)，必需要注意防撞梁和吸能盒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也會(huì)直接影響其吸能效果，理想情況下，防撞梁在低速碰撞中不發(fā)生或僅發(fā)生很小的結(jié)構(gòu)破壞，并能恢復(fù)原狀，可以使得維修成本較低；在中高速碰撞中不但能傳遞較大的撞擊力，也能通過自身的結(jié)構(gòu)破壞吸收一部分能量，進(jìn)一步保證車內(nèi)人員的安全。因此，從結(jié)構(gòu)上說，雙層防撞梁結(jié)構(gòu)綜合性能更好。常見的吸能盒截面形式有方形、六邊形、圓形等，其中，方形截面的吸能盒結(jié)構(gòu)簡單，易于制造及安裝，被廣泛應(yīng)用于轎車類的吸能盒設(shè)計(jì)中。為了使吸能盒在軸向力壓縮作用下發(fā)生盡可能多的塑性變形，增加吸能值，在使用碳纖維復(fù)合材料制作吸能盒時(shí)，一種有效的辦法是增加其軸向的材料面積，軸向面積與吸能盒的荷載、潰壓緊密相關(guān)。
碳纖維復(fù)合材料鋪層形式影響耐撞性能
碳纖維復(fù)合材料的高強(qiáng)度特性使其抵抗和傳遞撞擊載荷的能力很強(qiáng)，并且作為一種各向異性材料，不同的鋪層形式對(duì)碳纖維材料的性能有著顯著的影響，因此，可以通過對(duì)其鋪層的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)耐撞性的進(jìn)一步提高。
在確定整體結(jié)構(gòu)的情況下，可通過研究和實(shí)驗(yàn)比較獲得耐撞性能*的鋪層形式。通常情況下，碳纖維材料中的0°鋪層用于承受軸向載荷，±45°鋪層承受剪切載荷，90°鋪層承受橫向載荷及控制層合板的泊松比。防撞梁和吸能盒在遇到碰撞時(shí)，受力情況比較復(fù)雜，既承受軸向載荷和橫向載荷，也承受剪切載荷。因此，在鋪層設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮各種鋪層所占比例及布置位置對(duì)其耐撞性能的影響，既要保證保險(xiǎn)杠的吸能值，又不能使加速度值過大。
總之，結(jié)構(gòu)形式的設(shè)計(jì)和碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計(jì)是影響和決定碳纖維復(fù)合材料防撞梁和吸能盒防撞性能的主要因素。但是，在汽車的輕量化應(yīng)用中，如何發(fā)揮出碳纖維材料的性能優(yōu)勢，增加汽車的安全性配置，仍需要更多的有限元分析以及優(yōu)化研究。
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