复合材料在汽车领域中的应用越来越广泛，已成为汽车车身轻量化的重要途径。研究表明，汽车每减重10%，可降低5%～8%的燃油消耗量;汽车重量每减轻100kg，每行驶1km的CO2排放量可减少12.5g。其中，碳纤维增强复合材料凭借比模量高、比强度高和可加工性好等优点，被认为是实现车身轻量化设计最理想的材料。

　　本文综合考虑备胎池使用工况的强度工况、刚度工况以及模态工况，以碳纤维铺层参数为优化变量，备胎池质量最轻为目标，寻求最优铺层参数，并利用优化结果指导实际样件制作，最后通过试验论证本文优化结果的可信性，并与钢制备胎池对比，在保证各项性能的前提下，实现大幅减重的目的。

　　通过设置试验矩阵分别测量不同角度下的碳纤维复合材料参数，并以试验参数为基础，通过仿真分析与材料级试验相结合的方式，对碳纤维复合材料结构展开分析应用。

　　1.试验方法及结果评价

　　此次试验碳纤维及树脂的原材料为统一采购，采用预浸料模压成型方式制成40*40cm的板材。并按照美国ASTM材料级试验方法将层合板切成规定尺寸进行相关试验。

　　其中，由试验结果可以看出不同样条试验后断裂形式不一，判定试验结果有效性对最终获取合理的试验参数至关重要。试验后断裂位置不同得到的参数差别较大，跟据试验评判方法，第四条样件未在中间标定区域断裂，试验结果不可信。

　　2.试验参数及分析对比

　　通过收集整理试验结果，可以得出此次试验的材料参数。结合以上材料参数，利用CAE分析方法与试验结果进行比对，可以得出试验结果与分析结果差别在可接受范围内，验证了分析方法的有效性。

　　3.备胎池结构设计优化

　　本文以某量产车型钣金备胎池为研究对象，利用碳纤维复合材料进行等代设计，等代设计法是工程复合材料中较常采用的设计方法，一般是指在载荷和使用环境基本不变的情况下，考虑复合材料的特点，采用相同形状（ 或适当改变形状和尺寸） 的复合材料构件替代其他材料，可结合复合材料可设计性、可加工性强的特点选择合理的加工方式并对铺层参数进行优化。

　　钣金结构厚度为0.7mm，重量为4Kg，材料为DC270C号钢，屈服强度为188MPa，密度为7.85×10-9t/mm3，弹性模量为205000MPa。备胎池作为车身后地板的重要组成部分，必须具有一定的承载载荷和抵抗变形的能力，本文通过对钣金备胎池设定相关性能试验，确定了备胎池性能要求。其中刚度和模态试验约束边界如上图所示。

　　刚度试验结果为3.8mm，一阶模态56Hz，通过综合其余车型试验结果制定备胎池性能目标具体如下：

　　（1）刚度要求：在备胎池中间位置沿Z向加载200N，最大位移≤4mm；

　　（2）模态要求：一阶约束模态要求≥50Hz；

　　（3）强度要求：在下沉及上跳等强度工况下，结构不出现断裂。

　　本文根据碳纤维铺层基本要求，为确保碳纤维复合材料件有较好的综合力学性能，铺层设计须确保0°、90°、±45°几个方向上至少 10%的层数，同时±45°铺层最好成对出现，避免拉弯和拉剪的组合，铺层尽可能的对称、均衡，各方向铺层尽可能的分散开，避免成型脱模后翘曲和变形。设置碳纤维复合材料备胎池初始铺层为[0/45/90/-45]S，共八层，原始铺层厚度约为2.5mm。利用所测参数对原始铺层结构进行CAE分析，分析结果得出备胎池各项性能均满足性能要求，其中刚度性能远远超出目标值，研究发现备胎池原始铺层结构存在较大的优化空间。