引言

近年来，随着我国机动车保有量的持续攻升，道路交通安全问题日益突出。碰撞事故在各类交通事故中占比最大，而侧面碰撞又是其中致死率偏高的一种类型。原因在于，车身侧围可供变形和吸能的空间远小于正面和追尾方向，碰撞能量往往不能被充分耗散就直接作用到乘员身上。其中，侧面柱碰撞的危险性尤为突出——柱状物体刚度极高、接触区域狭窄，碰撞力高度集中，车门被迅速向内挤压，乘员舱的生存空间严重受损。在这样的工况下，车门防撞梳作为抵御侧向侵入的第一道结构屏障，其抗撞能力的强弱直接关系到乘员的安全。

当前行业内普遍使用高强度钢材来制作防撞梳，这种方案在强度上没有问题，可是钢材密度大、质量重，给整车的轻量化带来不小的压力。这一点与节能减排的产业大方向有所矛盾。碳纤维增强复合材料的比强度和比刚度远超传统金属，理论上能够以更少的质量达到同等甚至更好的力学性能。但单纯的复合材料在受到强烈冲击时容易出现脆性断裂，这种突发性的失效方式在安全设计中是不可接受的。于是，将纤维复合材料与金属材料结合在一起构建超混杂复合结构，利用金属的塑性变形能力来引导复合材料产生渐进式的稳定破坏，就成了一条可行的技术路径。这种思路既能减轻重量，又能保证吸能过程的稳定性，正是本文研究的出发点。

1研究意义

对纤维增强金属复合管防撞性能开展系统研究，具有多方面的意义。

先说学术层面。现有关于纤维/金属超混杂结构的耐撞性研究，绝大部分集中在轴向压缩这一单一工况下。而车门防撞梳在真实碰撞中承受的主要是横向弯曲载荷，两者的受力特点完全不同。已有的横向加载研究又大多以方形梳、圆管等规则截面试件为对象，其边界条件和载荷分布与实际的车门防撞梳相差较大，结论不能直接拿来指导工程设计。因此，系统地探究复合管在横向碰撞载荷下的损伤演化过程、能量吸收规律以及金属与复合材料界面之间的应力传递机制，可以为构建适用于工程防撞构件的设计方法提供必要的理论支撑。

再看工程层面。当前汽车行业正处于新能源转型的关键期，电动车的电池包占据了大量车身空间和重量，这使得其他结构件的轻量化需求更加紧迫。如果能通过复合管的制备工艺优化、准静态与动态冲击性能评估以及多目标协同优化，找到一套让防撞结构在侧向碰撞中侵入量更小、质量更轻的方案，将具有很强的实用价值。这类成果一旦落地，不仅能帮助整车在侧碰工况下取得更好的安全评级，还能降低能耗与排放，与国家节能减排的产业政策方向是合拍的。

2 国内外研究现状

2.1复合材料在汽车上的应用进展

碳纤维复合材料应用于汽车已有数十年的历史。上世纪70年代，法国雷诺公司尝试将片状模塑料（SMC）制成的保险杠装在车身上，代替原来的金属件，取得了明显的油耗下降效果。此后美国通用汽车将这一方案推广到量产车型，并在1992年在概念车上使用碳纤维底盘，减重幅度约32%。21世纪以来，碳纤维在汽车上的应用节奏加快，日本和澳大利亚的公司合作开发出全碳纤维轮毂，比铝合金轮毂轻30%～40%；比利时索尔维公司推出了碳纤维发动机缸体，减振降噪效果相当明显。这些案例都说明碳纤维复合材料在汽车结构件减重方面的巨大潜力。

国内对碳纤维复合材料在汽车上的应用起步稍晚，但进展也不慢。北京汽车已经研发出碳纤维发动机覆盖件和部分车身功能件，长安汽车则实现了碳纤维传动轴的量产。在科研方面，重庆理工大学的汪永嘉等人对比了碳纤维复合材料与原铝制保险杠防撞梳的耐撞性，发现碳纤维方案的轻量化效果最为显著。上海交通大学的王庆等人借助Kriging代理模型和遗传算法进行联合优化，最终让碳纤维防撞梳的质量在满足耐撞要求的前提下减轻了36.4%。这些工作充分证明了碳纤维材料在汽车防撞结构中的减重能力，但脆性断裂和制造成本的问题一直是它大规模上车的主要障碍。

2.2侧面碰撞条件下的防撞梁研究

国外汽车侧碰研究可以追溯到20世纪30年代，美国最先借助实车碰撞试验分析车身外部安全性。到了60年代后期，计算机仿真开始介入碰撞安全研究，Cheng等人利用有限元方法建立了包括正面碰撞、侧面碰撞及车-车碰撞在内的多种仿真模型，通过与试验的对比验证了模型的可靠性。这一时期以后，以LS-DYNA为代表的显式动力学求解器被广泛采用，研究者得以低成本地对各类碰撞工况反复进行模拟计算，极大地推动了汽车被动安全设计的发展。

在复合材料防撞梳的研究中，Davoodi等人借助ABAQUS软件评估了混合纤维复合材料防撞梳在低速冲击下的行为，发现双帽形截面能很好地提升结构耐撞性。Hosseinzadeh等人从几何结构、吸能能力、受载方式多个角度对复合材料防撞梁和金属防撞梁做了全面对比，结论是复合材料方案在多项指标上均占优。王爽等人比较了多种不同材料的防撞梁，发现树脂基碳纤维复合材料的综合耐撞表现居于所有方案之首。国内的徐立友等人对碳纤维防撞梁提出了变厚度分区设计的思路，在基本不增加质量的情况下显著改善了耐撞表现。东华大学的丁小马等人采用真空辅助树脂注射工艺制备了碳纤维前防撞梁，测试结果显示其吸能能力达到了原金属梁的两倍左右。

2.3纤维/金属超混杂结构的耐撞性研究

单纯用复合材料替代金属并非没有代价。除了制造成本高以外，复合材料与异质金属的连接可靠性不足、受冲击后容易突然失效都是无法回避的问题。研究者逐渐意识到，将复合材料与薄壁金属构件结合起来可能是更务实的选择。金属具备良好的塑性变形能力，在结构受载时能够引导复合材料发生稳定的渐进破坏，避免突发性失效带来的安全隐患。这就是纤维/金属超混杂结构的核心思想。

在轴向压缩方面，国内外已经积累了比较丰富的数据和经验，包括各种截面形状、壁厚和铺层方案对吸能特性的影响规律。相比之下，横向载荷条件下的研究明显偏少。Kim和Shin等人对铝/碳纤维方形截面梁开展了三点弯曲试验和数值模拟，系统考察了不同壁厚和铺层角度对拗弯性能和吸能的影响，发现铺层顺序对结构响应的影响相当显著。Shin等人考察了压缩与弯矩联合作用下铝/玻纤混合管的吸能和弯曲破坏行为，Jung等人则重点分析了玻纤蒙皮层对整体弯曲强度的增强作用。但总体来看，横向碰撞工况下的研究仍然不够系统和深入，特别是在复杂约束条件和真实载荷环境下，混杂结构的失效机理还有很多不清楚的地方。

3 文献综述

综合以上各节的回顾，可以对纤维增强金属复合管防撞性能的研究现状做出如下判断。一方面，碳纤维复合材料凭借其优异的比强度和可设计性，在汽车轻量化与碰撞安全领域的应用价值已经获得了广泛认可。不管是材料替代、铺层优化还是结构拓扑设计，各方面都取得了丰富的研究成果。与此同时，以LS-DYNA为代表的显式动力学求解器在侧碰工况分析中的应用已经相当成熟，为复合结构的仿真优化提供了可靠的工具支撑。

但是，通过文献梳理也可以清楚地看到几个明显的缺口。第一，纤维/金属超混杂结构的耐撞性研究偏重轴向压缩工况，而车门防撞梳在实际碰撞中主要承受横向弯曲载荷，两种工况下的变形模式和吸能机制存在本质差异，轴向研究结果不能简单照搬。第二，横向载荷方面的少量工作多以规则截面试件为对象，没有考虑到真实工程构件复杂得多的边界条件和载荷分布，结论的实际指导价值打了折扣。第三，关于复合管在横向冲击过程中金属与复合材料界面的失效行为、能量耗散的具体路径以及铺层参数如何影响耐撞性能，还缺乏系统性的研究。第四，多目标约束下将轻量化与耐撞性进行协同优化的设计方法还不够成熟，尤其是针对超混杂结构这种材料-结构耦合度很高的对象，优化策略的制定难度不小。

基于以上分析，后续研究应当围绕纤维增强金属复合管在横向碰撞载荷下的防撞性能展开重点攻关。具体来说，可以通过材料制备、力学性能测试、有限元仿真建模与多目标优化的有机结合，揭示超混杂结构在横向冲击下的失效机理与吸能规律，建立一套真正适用于工程实际的防撞结构设计方法。这不仅能为汽车车门系统的安全性与轻量化协同提升提供理论依据，也能为超混杂结构在车身其他防护构件中的推广应用提供参考。

参考文献：

1. [1] 王方,杨济匡,桂兵,等.汽车侧面和斜碰撞中人体胸部损伤响应数值分析[J].力学学报,2016,48(01):225-234.
2. [2] 马威,管海陆,张晓琼,等.碳纤维/不锈钢极薄带纤维金属层板制备工艺及其弯曲性能[J].复合材料学报,2024,41(02):1047-1051.
3. [3] 汪永嘉,董红顺,张舜.保险杠前防撞梳材料-结构一体化轻量化设计[J].重庆理工大学学报(自然科学),2022,36(07):86-93.
4. [4] Cheng Z, Thacker J, Pilkey W, et al. Experiences in reverse-engineering of a finite element automobile crash model[J].Finite elements in analysis and design,2001,37(11):843-860.
5. [5] 王爽,王登峰.灰色关联及熵权法对碳纤维增强树脂复合材料防撞梳的耐撞性优化设计[J].复合材料学报,2020,47(02):63-71.
6. [6] Kim C, Shin D, Lee J. Characteristics of aluminum/CFRP short square hollow section beam under transverse quasi-static loading[J].Composites Part B: Engineering,2013,51:345-358.