碳纖維復(fù)合材料緩沖梁的研制

郭 濤

(上海耀華大中新材料有限公司,上海201703)

碳纖維復(fù)合材料緩沖梁的研制

郭 濤

(上海耀華大中新材料有限公司,上海201703)

本文介紹了碳纖維復(fù)合材料緩沖梁的選材、CAE分析及成型方法。并對(duì)所開(kāi)發(fā)的碳纖維緩沖梁與原結(jié)構(gòu)緩沖梁的試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比與分析，結(jié)果表明：在滿(mǎn)足低速碰撞和脫鉤試驗(yàn)的情況下，使用碳纖維結(jié)構(gòu)的緩沖梁減重達(dá)到25%。

碳纖維；夾層結(jié)構(gòu)；緩沖梁；真空導(dǎo)入

1 引 言1.1 汽車(chē)輕量化的意義

隨著燃料價(jià)格上漲，石油儲(chǔ)量減少以及汽車(chē)排放對(duì)全球環(huán)境的危害，控制排放和改善優(yōu)化汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性現(xiàn)在已成為全球汽車(chē)生產(chǎn)商的第一要?jiǎng)?wù),以“安全、節(jié)能、環(huán)?！睘橹黝}開(kāi)展措施，輕量化技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源、減少有害氣體排放，順應(yīng)社會(huì)的發(fā)展。而通過(guò)使用替代材料(如鎂鋁合金、高強(qiáng)度鋼和復(fù)合材料)，優(yōu)化結(jié)構(gòu)以減少組成部件的數(shù)量，來(lái)進(jìn)行汽車(chē)輕量化是解決問(wèn)題的方法之一。研究表明，汽車(chē)質(zhì)量減少10%，就可以節(jié)約燃料10%～20%。[1]同時(shí)，減輕汽車(chē)質(zhì)量可以提高整車(chē)性能、安全性和穩(wěn)定性。碳纖維復(fù)合材料與傳統(tǒng)鋼材相比，其性能優(yōu)勢(shì)明顯，密度是鋼材的1/5，目前鋼鐵材料約占車(chē)體質(zhì)量的3/4，因而碳纖維材料的汽車(chē)與現(xiàn)有汽車(chē)相比，減重最多可達(dá)到40%[2]。

1.2 碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)上的應(yīng)用情況

近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)防撞吸能結(jié)構(gòu)，汽車(chē)車(chē)門(mén)、汽車(chē)翼子板、汽車(chē)引擎蓋、汽車(chē)座椅、儲(chǔ)氫罐、傳動(dòng)軸等均已有應(yīng)用[3]。目前，制造轎車(chē)保險(xiǎn)杠橫梁的材料一般為金屬材料(如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金等)，大多數(shù)保險(xiǎn)杠用的是防撞鋼梁。而目前隨著輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，輕金屬和非金屬材料也開(kāi)始應(yīng)用在汽車(chē)保險(xiǎn)杠上，如GMT材料保險(xiǎn)杠已在韓國(guó)現(xiàn)代、福特公司批量裝配并且有很好的效果。近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)被人們看好，如碰撞吸能性好。碳纖維復(fù)合材料是汽車(chē)金屬材料最理想的替代材料，在碰撞中對(duì)能量的吸收率是鋁和鋼的4～5倍，減輕車(chē)身質(zhì)量的同時(shí)還能保證不損失強(qiáng)度或剛度，保持防撞性能，極大地降低了輕量化帶來(lái)的汽車(chē)安全系數(shù)降低的風(fēng)險(xiǎn)。圖2是碳纖維復(fù)合材料和其他材料碰撞中對(duì)能量吸收率的對(duì)比[4]。

圖1 不同材料得產(chǎn)品質(zhì)量對(duì)比

圖2 能量吸收率/(kJ·kg-1)

2 緩沖梁產(chǎn)品分析

基于客戶(hù)提供的數(shù)據(jù)基于設(shè)計(jì)要求，產(chǎn)品滿(mǎn)足原部件的使用功能要求，項(xiàng)目減重目標(biāo)為(減重15%-30%)。

圖3 緩沖梁系統(tǒng)

(1)拖鉤塊結(jié)構(gòu)采用鋁合金材料設(shè)計(jì)，分為前部、后部和套筒三部分，通過(guò)焊接方式連接；

(2)前部結(jié)構(gòu)和后部結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)埋的方式與保險(xiǎn)杠本體結(jié)構(gòu)一體成型；在套筒外部也包覆碳纖維復(fù)合材料，保證整體性；

(3)套筒內(nèi)部為螺紋，與脫鉤配合。

3 材料選擇

材料分為樹(shù)脂及其固化體系和碳纖維以及夾層

泡沫。

樹(shù)脂選擇：與其他種類(lèi)樹(shù)脂相比，環(huán)氧樹(shù)脂與進(jìn)行了表面處理的碳纖維之間有著較好的浸潤(rùn)能力和粘結(jié)力，形成的復(fù)合材料具有較好的力學(xué)性能，同時(shí)環(huán)氧樹(shù)脂具有固化收縮率低、放熱峰低等特點(diǎn)。本產(chǎn)品采用真空導(dǎo)入工藝進(jìn)行成型，所以我們初步選擇了Hunsman3585和1564兩種樹(shù)脂進(jìn)行篩選。

碳纖維種類(lèi)選擇：增強(qiáng)材料是復(fù)合材料的主要組成部分，它在復(fù)合材料中起著承受載荷作用，并能提高樹(shù)脂基體的耐熱和耐磨等性能，增強(qiáng)材料還有減少?gòu)?fù)合材料成型過(guò)程中的收縮率，提高制品硬度等作用。針對(duì)汽車(chē)緩沖梁對(duì)材料的要求，本文選用了T300 3K平紋布,拉伸強(qiáng)度3.5 GPa,拉伸模量230 GPa。

泡沫夾芯：填充泡沫的密度變化范圍大，力學(xué)性能也隨之變化，根據(jù)具體的分析結(jié)果以及減重目標(biāo)確定。當(dāng)密度為30 kg/m3時(shí)，質(zhì)量為0.111 kg。選用EPP30泡沫。EPP泡沫具有質(zhì)輕，是一種高科技環(huán)保泡沫材料，具有高強(qiáng)度，高回彈性，耐沖擊耐腐蝕不易破損、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于汽車(chē)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)中。

配方的確定

表1 不同的環(huán)氧體系配方

其中，配方1的凝膠時(shí)間滿(mǎn)足于真空導(dǎo)入成型，且符合保險(xiǎn)杠零件對(duì)材料的要求。

表2 不同配方的力學(xué)性能

結(jié)論：配方一樹(shù)脂體系的力學(xué)性能更為優(yōu)異，適合用來(lái)制作碳纖維緩沖梁。

4 復(fù)合材料鋪層設(shè)計(jì)

鋪層設(shè)計(jì)是夾層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，的強(qiáng)度、剛性、穩(wěn)定性、工藝均與鋪層有密切聯(lián)系。

①低速碰撞吸能區(qū)域，厚度為3.5 mm，增強(qiáng)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)抵抗壓縮載荷的能力；[03/452/04/452/03]；RCAR碰撞吸能區(qū)域，厚度為3.5 mm，增強(qiáng)保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的吸能特性,[03/452/04/452/03]；

②抵抗變形區(qū)域1，厚度為2.5 mm，[02/452/02/452/02] ；

③抵抗變形區(qū)域2，厚度為3.0 mm，保證保險(xiǎn)杠系統(tǒng)碰撞中不發(fā)生整體失效，[02/452/04/452/02] ；

④背板，厚度為6.0 mm，保證保險(xiǎn)杠系統(tǒng)的強(qiáng)度性能，[04/454/08/454/04]。

圖4 緩沖梁的鋪層情況

5 CAE分析

有限元網(wǎng)格模型

保險(xiǎn)杠系統(tǒng)性能要求

(1)NVH性能要求——一階模態(tài)頻率大于25 Hz；

(2)強(qiáng)度性能要求——各工況下應(yīng)力結(jié)果均不超過(guò)材料的強(qiáng)度極限；

(3)滿(mǎn)足碰撞安全性能要求 。

5.1 自由模態(tài)分析

表3 各階頻率

圖5 自由模態(tài)分析云圖

結(jié)論：一階模態(tài)頻率大于25 Hz ，滿(mǎn)足NVH性能要求。

5.2 強(qiáng)度性能分析

各工況下應(yīng)力結(jié)果均不超過(guò)材料的強(qiáng)度極限

圖6 工況6加載方向示意圖注 ：加載力為50%的滿(mǎn)載質(zhì)量；工況1和4為全局坐標(biāo)系下脫鉤受拉和受壓；工況2,3,5和6，其受力方向同XY平面夾角均為向下5°，同XZ平面夾角為25°。

表4 各工況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況

工況S11/MPaS22/MPaS12/MPa拖鉤MaxMinMaxMinMaxMinMises/MPaLoadcase176.59-32.8186.11-40.437.10-6.82139.70Loadcase271.87-48.6185.68-49.657.90-6.21141.40Loadcase397.54-40.1692.59-45.268.42-6.89133.50Loadcase478.87-30.57114.20-50.227.12-7.14139.70Loadcase580.36-27.4396.06-41.647.95-6.39141.90Loadcase696.17-39.28121.50-56.509.83-8.61133.70強(qiáng)度/MPa)540-220540-22045-45—工況E11E22E12MaxMinMaxMinMaxMinLoadcase17.75E-04-2.49E-031.42E-03-2.84E-032.31E-03-2.14E-03Loadcase26.76E-04-2.43E-031.23E-03-3.02E-032.57E-03-2.13E-03Loadcase39.89E-04-2.85E-031.53E-03-3.35E-032.74E-03-2.25E-03Loadcase48.92E-04-2.51E-031.30E-03-3.53E-032.31E-03-2.32E-03Loadcase51.32E-03-2.50E-031.47E-03-3.32E-032.58E-03-2.08E-03Loadcase61.27E-03-3.40E-031.29E-03-4.08E-033.19E-03-2.80E-03失效應(yīng)變1.17E-02-1.10E-021.17E-02-1.10E-025.00E-025.00E-02

結(jié)論：6種工況下最大應(yīng)力及應(yīng)變結(jié)果均小于選定復(fù)合材料的測(cè)試結(jié)果，材料的強(qiáng)度滿(mǎn)足要求。

5.3 碰撞安全性能性能分析

由上海交大對(duì)緩沖梁系統(tǒng)性能評(píng)估結(jié)果可知，所設(shè)計(jì)的緩沖梁系統(tǒng)結(jié)構(gòu)在給定的材料體系下：

NVH性能要求：滿(mǎn)足一階頻率大于25 Hz的要求；

圖7 碰撞示意圖

圖8 碰撞對(duì)比分析

強(qiáng)度性能要求：6種工況下，計(jì)算得到的應(yīng)力和應(yīng)變結(jié)果均滿(mǎn)足材料的強(qiáng)度要求；

碰撞安全性能要求：在低速對(duì)中碰撞過(guò)程中，保險(xiǎn)杠緩沖梁未出現(xiàn)失效的情況；低速角度碰撞時(shí)，局部材料發(fā)生失效，但并未出現(xiàn)整體失效的情況；碳纖維復(fù)合材料保險(xiǎn)杠系統(tǒng)低速碰撞安全性能優(yōu)于原結(jié)構(gòu)鋁合金緩沖梁的碰撞安全性能。

6 成型工藝

產(chǎn)品采用真空導(dǎo)入成型，脫鉤塊結(jié)構(gòu)通過(guò)預(yù)埋方式與緩沖梁本體結(jié)構(gòu)一體成型，套筒外部包覆碳纖維復(fù)合材料，保證整體性，套筒內(nèi)部為螺紋，與脫鉤配合。

成型工藝流程圖：

圖9 緩沖梁成型工藝流程圖

7 驗(yàn)證與分析

輕量化效果：原結(jié)構(gòu)鋁合金緩沖梁為2.66 kg，現(xiàn)有碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)緩沖梁1.99 kg，減重25%，滿(mǎn)足最初設(shè)定要求。

滿(mǎn)足拖鉤與車(chē)身連接處強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)：《SMTC 4 500 010 拖鉤與車(chē)身連接處強(qiáng)度分析標(biāo)準(zhǔn)》 。

按照《 GB17345-1988標(biāo)準(zhǔn) 汽車(chē)前/后端保護(hù)裝置、RCAR 低速碰撞測(cè)試》，排氣結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)均沒(méi)有損壞，測(cè)試結(jié)果滿(mǎn)足要求。

[1] 趙敏.改性聚丙烯新材料[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

[2] 高國(guó)強(qiáng).碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在汽車(chē)工業(yè)中的應(yīng)用[C]//中材科技，2013：4-6.

[3] 余嬡權(quán)，盧朕.碳纖維復(fù)合材料在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用[J].上海汽車(chē)，2013(7)：52-55.

[4] 張振明.變厚度復(fù)合材料汽車(chē)防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[D].長(zhǎng)沙：湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文.2014.

Development and Manufacture of the Carbon Fiber Composite Bumper Beam

GUO Tao

(YDAM,Shanghai 201703)

This artice introduces the material selection,CAE analysis manufacturing process of the bumper beam.Compared the carbon fiber bumper beam with the original structure of the beam,the weight of the carbon fiber bumper beam decreased by 25%.

carbon fiber; sandwich structure; bumper beam; VIMP

徐貴海(1993-)，男，山東人，本科。研究方向：紡織品及紡織復(fù)合材料。E-mail：13820624149@163.com.

王春紅(1980-)，博士，副教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向：秸塑復(fù)合材料，綠色環(huán)保功能型纖維、紡織品及紡織復(fù)合材料。E-mail：18802231369@163.com.

2015-08-13)

工藝研究