王雪爭,代德才,門立忠,王帥,李飛
(華晨汽車工程研究院,遼寧 沈陽 110141)
汽車輕量化是實現(xiàn)汽車節(jié)能減排的重要途徑,已成為世界汽車發(fā)展的潮流,研究表明,汽油乘用車每減重100kg將節(jié)油0.39L/100km,汽車質(zhì)量每降低10%,可降低油耗6%~8%,排放下降4%。各大主機廠已紛紛采取不同技術(shù)降低汽車整備質(zhì)量,其中以復(fù)合材料代替鋼板材料成為輕量化技術(shù)的重要發(fā)展方向,目前應(yīng)用在汽車零部件的復(fù)合材料主要有碳纖維和玻璃纖維兩大類,碳纖維復(fù)合材料擁有絕佳的任性和抗拉強度,其密度在1.45~1.6g/cm3,拉伸強度可達1.5GPa以上,超過鋁合金的3倍,接近超高強度鋼的水平。碳纖維復(fù)合材料翼子板在保證普通鋼板材料翼子板性能外減重約50%,有效的降低汽車整備質(zhì)量達到節(jié)能減排目的。
碳纖維復(fù)合材料零部件已成為各大主機廠重要發(fā)展方向,其應(yīng)用到汽車上的七大優(yōu)勢如下:
(1)輕量化:提高車體本身性能,減重50%,節(jié)能省油。
(2)安全性:同等體積,碳纖維本身拉伸強度是鋼板材料的7-9倍,能最大減少傳到駕駛室的能量。
(3)抗疲勞性:碳纖維較細,缺陷少,機體塑形好,可以抑制裂紋發(fā)展,具有良好的抗疲勞性。
(4)減震能力強:碳纖維復(fù)合材料比模量大,自震頻率高,不易出現(xiàn)共震。
(5)抗老化性:碳纖維復(fù)合材料在500攝氏度以上才會被空氣中的氧氧化,而且它被機體完全保護起來了。
(6)可設(shè)計性強:碳纖維復(fù)合材料可編織性強。
(7)高溫抗性:碳纖維復(fù)合材料可承受2000攝氏度高溫,而強度不變。
碳纖維復(fù)合材料翼子板成型工藝分為兩類:1)熱固性工藝;2)熱塑性工藝。
熱固性工藝包括:高壓 RTM,濕法模壓,干法模壓,Hybird。
熱塑性工藝包括:LFT-D,Tailored Blank Line。下表1為熱固性工藝和熱塑性工藝的區(qū)別。
表1 熱固性工藝和熱塑性工藝的區(qū)別
本文主要介紹汽車零部件主要成型工藝:高壓 TRM 和濕法模壓。
濕法模壓:一種批量生產(chǎn)使用的工藝,適合外形簡單零部件成型。首先進行碳纖維原絲鋪層編制、切割、涂膠,最后入模加熱固化成型,見流程圖1。
圖1 濕法膜壓成形工藝過程
HP-RTM:一種批量生產(chǎn)使用的工藝,適合外形復(fù)雜零部件成型。首先進行碳纖維原絲鋪層編制、切割、入模、預(yù)成型、合模置入樹脂,最后固化成型,見流程圖2。
圖2 HP-RTM成型工藝過程
碳纖維復(fù)合材料在整車上設(shè)計流程如圖3。
圖3 碳纖維復(fù)合材料在整車上設(shè)計流程
碳纖維復(fù)合材料仿真優(yōu)化流程如圖4。
圖4 碳纖維復(fù)合材料仿真優(yōu)化流程
翼子板作為重要的車身組成部分,剛度是首先需要滿足的性能要求,任何輕量化技術(shù)的研究也應(yīng)以滿足剛度為前提,表2示出某車型1.6mm碳纖維翼子板和0.7mm鋼板翼子板性能參數(shù)對比。
表2 碳纖維翼子板與鋼板翼子板性能參數(shù)對比
本次某車型碳纖維翼子板厚度選用的是1.6mm,重量為1.256kg。制作翼子板使用材料為平紋機織CFRP,單層厚度為0.2mm,材料強度為300Mpa,通過Abaqus軟件仿真計算得到 1.6mm厚度碳纖維翼子板滿足部件性能要求,且剛度遠遠超過要求,表明翼子板存在很大的優(yōu)化設(shè)計空間。
圖5 維翼子板設(shè)計
采用OptiStruct軟件中的尺寸優(yōu)化方法進行CFRP翼子板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,結(jié)果如圖5。 根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗并考慮制造工藝,休整改進優(yōu)化結(jié)果,改進后翼子板的造型面及安裝面保持不變,以保證翼子板外形及正常裝配,改變翼子板厚度,以便在減重的同時滿足性能要求,優(yōu)化結(jié)果表示1.4mmCFRP翼子板就滿足了性能要求。
碳纖維增強復(fù)合材料的特性主要表現(xiàn)在力學(xué)性能、熱物理性能、熱燒蝕性能、可設(shè)計性和耐沖擊性等幾個方面,碳纖維復(fù)合材料翼子板優(yōu)點:
(1)阻尼較高,較好的隔音性能。
(2)剛度較高,提高閥蓋抗凹性。
(3)減重50%以上,提高鎖、鉸鏈耐久性。
(4)較高的模態(tài),提高NVH性能。
(5)集成化設(shè)計,內(nèi)板可集成加強板,減少零件個數(shù)。(6)直接安裝,不需要改線。
圖6 碳纖維翼子板結(jié)構(gòu)
降低車重只有三種途徑,一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,二是先進的工藝,三是輕量化材料應(yīng)用。前兩者在現(xiàn)有技術(shù)上已很難再繼續(xù)突破,只有應(yīng)用輕量化材料才是最有效的減重徑。碳纖維復(fù)合材料是未來汽車輕量化發(fā)展的重要方向,但成本高、樣件制造周期長、設(shè)計不成熟和維修問題是當(dāng)前國內(nèi)需要主要攻破的瓶頸。因此,要想使碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化中大量應(yīng)用必須首先要降低碳纖維的生產(chǎn)成本,通過改進原絲生產(chǎn)工藝,降低原絲成本;發(fā)展新的預(yù)氧化、碳化和石墨化技術(shù),縮短預(yù)氧化時間,降低碳化、石墨化成本,從而達到降低碳纖維成本達到汽車節(jié)能減排的作用。
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