1 概述

       碳纤维吸能装置的几何造型设计以及铺层设计是其产品设计中的重要一环，它直接关系到最终产品的几何造型，实际重量以及实验结果。采用HyperMesh进行产品几何造型的设计并对铺层进行验证，可以对实际实验的结果进行预测，并对几何造型以及铺层进行修改验证，以得到最佳的几何造型和最轻的铺层设计。

       由于赛车运动的高速度所带来的危险性，如何保障车手安全就显得尤为重要。因此在驾驶舱前方需要有一定吸能性能的缓冲装置，以保证在车辆受到撞击时，赛车的加速度不至于太大，而对驾驶员的生命安全产生威胁。而在满足以上要求的情况下，又要尽可能地减轻质量，以减轻整车重和降低材料消耗，所以采用碳纤维复合材料来减轻缓冲装置的整体质量，同时又保障性能。为此，需选用适当的算法，对吸能装置进行有限元分析，从而为碳纤维的设计和制造提供理论依据。传统的前端吸能装置采用标准件，采用缓冲泡沫的材质，没有设计空间，无法减轻整车的重量。因此为了实现前端吸能装置的实用性以及轻量化，需要对其结构和性能进行分析，研究出最适合的几何造型以及碳纤维铺层设计。

2 有限元模型的建立

       现对整体结构进行有限元分析。

       2.1 网格划分

       对碳纤维吸能装置的刚性固定块采用Solid单元进行网格划分。结点数见表1。

表1 刚性固定块的结点数

       对碳纤维吸能装置采用Shell单元进行网格划分。结点数和单元数见表2。

表2 碳纤维吸能装置的结点数和单元数

       2.2 材料与属性

       计算中所使用的材料参数如下：

       合金钢的材料参数：

       弹性模量：210GPa 

       材料密度：7.85 e+3kg/m3

       泊松比：0.3 

       长度单位为：mm 

       碳纤维的材料参数：

       材料密度：1.8 e+3kg/m3

       纵向拉伸模量：70GPa 

       横向拉伸模量：70GPa 

       平面截切模量：3.8GPa 

       纵向弯曲模量：50GPa 

       纵向拉伸强度：800MPa 

       横向拉伸强度：800MPa 

       平面剪切强度：80MPa 

       纵向弯曲强度：800MPa 

       2.3 吸能装置有限元模型受力和约束图

       加载一：

       对吸能装置和刚性质量块施加7m/s的初速度，使其在正面撞击刚性墙的时候，具有7m/s的正面撞击初速度。与此同时，为了保证刚性质量块在撞击时保证其运动方向不变，对其在运动方向之外的其他自由度进行约束。力和约束图见图1。

图1 初速度的力和约束图

       加载二：

       对刚性平面施加全约束，确保刚性平面在承受撞击时不因其受力而产生位移。约束图见图2。

图2 刚性墙的力和约束图

3 计算结果图

       通过后处理器LS-DYNA计算得出图表数据，并使用HyperWorks查看原始数据，原始数据是速度-时间的对应图。原始数据图见图3。

图3 原始数据（速度-时间曲线）

4 分析与结论

       在HyperWorks里，为了得到加速度-时间曲线，需要对原始数据进行求导，求导并滤波后得到加速度-时间曲线。加速度-时间图见图4。

图4 加速度-时间曲线

       由图可得到刚性质量块的最大减速度为22g，该吸能装置允许最大减速度值为30g。因此，该吸能装置的设计满足规则要求。