碳纤维单体壳车身设计及实验研究

摘要：基于大学生方程式赛事规则和整车装配对单体壳车身外形进行设计，通过对比分析确定单体壳车身的材料，基于各个区域强度刚度需求进行铺层设计，通过实验验证并改善铺层设计，最终得到强度刚度满足设计要求，重量比上一代轻23%的碳纤维单体壳车身。

关键词：大学生方程式，碳纤维单体壳车身，轻量化

1 课题研究意义

对于一辆车来说底盘一直以来都是很重要的，因为它是车架，是支撑赛车的所有部件和乘员的内部结构。刚性的弯曲和扭转，有效的吸收负载和低重量是高性能底盘的关键[1]。空间车架和单体壳目前是大学生方程式赛车（FSAE）的首选底盘类型。单体壳既起到了车架承载载荷的作用同时也是车身。单体壳提供主要结构支撑，并因此吸收影响汽车的所有负载。在如今的赛车中，最常见类型的单体壳由不同类型的复合材料制成，例如碳纤维增强树脂（CFRP）。单体壳（特别是复合单壳底盘）的优点包括高扭转刚度和低重量[2]。

2 外观结构设计

单体壳的类型分为全单体壳和半单体壳。全单体壳整合度高，结构稳定性好，对于后半部分的零部件布置也更简单，在重量上也更轻。此次的设计是基于半单体壳车身改进为全单体壳车身。

根据赛事规则所要求，优化上代FSAE车身造型，为将车身前部上方的前悬架减震器移开，使整个车身的上表面成为一个连续的曲面。改进后的前车身因为整体的流线型所以外观相比于前一代更美观漂亮，给人的视觉效果提高了。最终设计的尺寸为宽度从前至后为407mm到448mm，高度方向从434到515mm。

而驾驶舱部分考虑单体壳的厚度还有需要为踏板和前端预留一定的安装空间，车头设计过程中上方从中心点至前隔板为曲率连续。而下方的设计则是为了能让经过车头分流出来的气流顺利通过车身底部，减少车头部分的空气阻力，一定程度上提高下压力。

发动机舱的尺寸设计时主要要考虑封闭面结构设计带来的装配空间上的影响，两侧设计留有一定空间以便实际装配和装配误差。背面选择了开口式设计，一方面装配空间的保证，另一方面是发动机的散热性能得到改善。此外，开口设计使得单体壳的重量减轻有利于轻量化，节省了材料利用，优化了经济性。最后设计了如下图1单体壳模型所示。

查阅资料得出碳纤维材料在比强度和比模量上有着巨大的优势，说明在重量相当的情况下材料承载能力大，刚度大（变形小）[3]。而使用单体壳结构就是要发挥它重量低，扭转刚度高的优点，大多数的单体壳选用碳纤维材料制作的。整个单体壳分为：1前隔板、2前隔板支撑、3侧边防撞和4主环斜撑四个区域，如图3。

结合上代FSAE各区域强度刚度表1进行分析：

结合表1力学性能，在考虑由于今年单体壳在尺寸上有所不同，所以在铺层设计时需要保持或减小刚度的基础上提升各个部分的强度，为此铺层设计时主要多增加使用T800的高强度丝，减少使用M40J的使用。

由于前隔板是安装防撞块的区域，所以对于前隔板要求要有足够的极限抗拉强度和抗剪切强度，以保证在发生碰撞时有足够的强度来保证车手安全，为此使用大量T800来增强极限抗拉强度，使用平纹编织布提高抗剪强度，给前隔板设计了如下铺层，如表2所示。

前隔板支撑区域的刚度强度已经足够，所以在设计时主要减少M40J来减重，得出为前隔板支撑区域的设计铺层。对于侧边防撞要求有至少大于2根基准钢管的能量吸收量，为此也在去年的基础上减少M40J的使用，增加T800单向布的使用来提高强度，确保有足够的能量吸收值，为此得出侧边防撞设计铺层。

3 实验研究

根据大学生方程式的规则中规定了单体壳车身需要做前隔板，前隔板支撑和侧边防撞三个区域的剪切试验要求：通过直径为25mm夹具压缩层合板进行强度测试，在直径为25mm的前隔板支撑区域，周向剪切强度要大于4kN，对侧边防撞区域来说，层合板的周向剪切强度至少为7.5kN[4]。

针对规则的要求做剪切实验和三点弯曲实验。实验所用的机器为电子万能试验机，型号为DNS300，加载夹具均为规则要求的尺寸，由于规则并没有说明实验过程的加载速度，在查阅了国家标准的规定后，在实验过程中设置实验夹具的加载速度为2mm/min[5]。一直加载到样件失效，并获取数据，实验过程如图2和图3。

如图4前隔板力-位移曲线图，分析前隔板剪切的数据，将曲线第一个峰值带入计算可得前隔板的抗剪切强度为72MPa，比要求的198MPa要小得多。考虑到剪切强度不仅与表层的碳纤维强度有关，也和芯材的单元格尺寸有很大关系，为此，为前隔板在设计更多的不同方向的铺层的基础上，使用了单元格大小为1mm的铝蜂窝，以提高抗剪切强度。

5  侧边防撞力-位移曲线图

如图5侧边防撞力-位移曲线图，对侧边防撞区域进行数据处理和分析：通过数据处理得到侧边防撞的强度和刚度均能满足规则的要求，但在吸收能量上仅有60J（位移从0到12.7mm曲线包含的线下面积），小于规则要求里的两根基准刚管吸收的能量97J。所以侧边防撞的铺层设计也不满足要求。

对于前隔板剪切强度和侧边防撞吸能不足问题，进行了铺层的改进和芯材的替换，增加T800单向高强度丝和T700平纹布的使用，使用单元尺寸更小的蜂窝，以提高整体的强度。重新进行实验得到如图6和如图7，并对数据进行处理得到前隔板剪切强度为200MPa，满足了规则的要求。侧边防撞区域通过计算线下面积得到吸收能量的值为98J，刚好满足了规则要求。第二次实验在更换了夹芯材料之后在剪切上表层抗剪强度明显提高，说明单元格尺寸较小的蜂窝拥有更好抗剪强度。此外，在弯曲实验中，更换了夹芯材料的层合板在吸收能量更好，在曲线上的表征就是到达峰值之后曲线下降的较为缓慢，因此，如需要提高剪切强度和能量吸收量可以使用较小单元格的蜂窝。

如表3，在铺层设计和层合板实验完之后，设计基本结束，就可以根据层合板质量来估算整个单体壳的质量。

最终估算得到的总质量为23.9Kg，相比于上一代减重23%，实现减重的目标。

4 结论

通过采用碳纤维单体壳车身，使整车在强度和刚度上相比于钢管车架结构都有明显的提升，并且在重量上相比于上一代降低23%，实现了设计单体壳车身的目的。

在整个设计过程中仍然有很多需要改善的地方，例如可以使用不同尺寸的芯材通过对比实验比较二者在强度刚度以及数据曲线上的区别，从而对比出不同的布和不同的芯材适合使用的区域。

在铺层设计时有限元对铺层进行优化，可以使铺层设计的更合理并优化重量。虽然有限元在分析三明治结构上的算法还不够成熟，但有可以提供借鉴的意义。在优化时很多碳纤维的参数是暂时无法获取，需要对原丝进行实验才能得到，如果只是参考文献：里的参数会因为使用的丝的不同而存在误差，因此，最好的方法是直接对所使用丝进行测试，获取数据，再通过有限元分析，这样的结果比较准确，才能适用于设计，这也是下一步应该改进的方向。

参考文献：

[1]Costin，M.，Phipps，D.（1966）Racing and Sports Car Chassis Design[Z].Bentley Pub.1966.

[2]Carl Andersson Eurenius.Analysis of Composite Chassis.Chalmers University Of Technology[D].2013：45-46.

[3]陈建桥.复合材料力学[M].华中科技大学出版社.2016：13-15.

[4]中国汽车工程学会.2016年中国大学生方程式汽车大赛规则[EB/OL]. www.formulastudent.com.cn .2016：37-38.

[5]GB/T1449-2005.纤维增强塑料弯曲性能试验方法[S].北京：中国标准出版社，2005.

作者简介 吕榕楷：（1990—），男，福建厦门人，讲师，研究方向：汽车工程、智能制造。

朱文祥：（1993-），男，福建泉州人，测试工程师，研究发现：车辆工程。

备注：福建省中青年教师教育科研项目（科技）“碳纤维单体壳车身设计及实验研究”（课题编号：JAT191585）。