基于碳纤维复合材料的汽车轻量化与减振降噪研究

• 作 者: 陈伟
• 出 处: 湖南大学
• 发表日期: 2020年07期
• 关键词: 商用车 轻量化 吸声系数 声子晶体 减振降噪 CFRP

在国家系列降低能耗与低碳环保等相关政策的强力推动下,众多车企希望从车辆轻量化方向达到节能减排的目的。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,简称CFRP)以其具有低密度、高比强度、比模量等良好的力学性能的特点,已然成为汽车轻量化材料的研究热点之一。与此同时,消费者对汽车舒适度这一性能要求的程度越来越高,而汽车的NVH(Noise,Vibration,Harshness)性能是影响汽车舒适的重要因素。有鉴于此,本文以CFRP在汽车轻量化设计与减振降噪方面所面临的设计与实验问题为核心,以某商用车驾驶室为实例,并结合声子晶体带隙特性理论,探索以CFRP为基础的复合材料在轻量化和振动噪声相结合应用的特征和规律。主要内容如下:(1)首先,对CFRP的力学性能进行测试,主要包括拉伸试验、剪切试验获取CFRP的弹性模量、剪切模量以及泊松比。其次,运用试验所得的数据进行CFRP板有限元模态分析。最后对CFRP板进行模态试验以验证CFRP力学性能参数的正确性。结果表面:在考虑传感器质量对模态测试影响的基础上,仿真与实验的最大误差值不超过6%,验证了CFRP力学性能参数的正确性。(2)以商用车驾驶室为研究对象,先对白车身驾驶室进行CAE建模与仿真,随后结合CFRP进行轻量化设计与优化。仿真结果表明:轻量化后驾驶室模型整体质量从原来的336.6Kg下降到现在的298.7Kg,减重37.9Kg,降幅达到11.3%,并且驾驶室动态力学性能还得到有效的提升,一阶模态频率提升了27.3%。(3)测试CFRP的声学性能参数。结果表明:在0~1000Hz频率范围内,采用工程应用领域中吸声系数的计算方式,CFRP的吸声系数小于0.2,属于低吸声材料。(4)针对CFRP自身吸声性能不足的特点,并结合声子晶体带隙理论,采用有限元法计算并得到声子晶体板的频率响应特性曲线图,在此基础上研究了影响声子晶体板带隙的相关因素。仿真表明:II型声子晶体板在中高频范围内对减振降噪具有良好的性能。本文所做的相关研究,首次将CFRP与声子晶体相结合应用于汽车轻量化与减振降噪的研究中,对后续以CFRP为基础并应用于汽车领域的研究提供指导和借鉴作用。