碳纖維復(fù)合材料翼子板在某車型上的應(yīng)用

作者：王雪爭
單位：華晨汽車工程研究能量管理室

前言

汽車輕量化是實(shí)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(jī)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(qiáng)度，其密度在1.45～1.6g/cm³,拉伸強(qiáng)度可達(dá)1.5GPa以上，超過鋁合金的3倍，接近超高強(qiáng)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(dá)到節(jié)能減排目的。

1 碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用到汽車上的優(yōu)勢

碳纖維復(fù)合材料零部件已成為各大主機(jī)廠重要發(fā)展方向，其應(yīng)用到汽車上的七大優(yōu)勢如下：
a)輕量化：提高車體本身性能，減重50%，節(jié)能省油；
b)安全性：同等體積，碳纖維本身拉伸強(qiáng)度是鋼板材料的7-9倍，能最大減少傳到駕駛室的能量；
c)抗疲勞性：碳纖維較細(xì)，缺陷少，機(jī)體塑形好，可以抑制裂紋發(fā)展，具有良好的抗疲勞性；
d)減震能力強(qiáng)：碳纖維復(fù)合材料比模量大，自震頻率高，不易出現(xiàn)共震；
e)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(jī)體完全保護(hù)起來了；
f)可設(shè)計(jì)性強(qiáng)：碳纖維復(fù)合材料可編織性強(qiáng)；
g)高溫抗性：碳纖維復(fù)合材料可承受2000攝氏度高溫，而強(qiáng)度不變。

2 碳纖維翼子板制作工藝

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，TailoredBlank Line。下表1為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(jìn)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。



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(jìn)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。



3 某車型碳纖維翼子板設(shè)計(jì)

碳纖維復(fù)合材料在整車上設(shè)計(jì)流程如圖3。



碳纖維復(fù)合材料仿真優(yōu)化流程如圖4



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。



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(jī)織CFRP，單層厚度為0.2mm，材料強(qiáng)度為300Mpa，通過Abaqus軟件仿真計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過要求，表明翼子板存在很大的優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

采用OptiStruct軟件中的尺寸優(yōu)化方法進(jìn)行CFRP翼子板的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，結(jié)果如圖5。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并考慮制造工藝，休整改進(jìn)優(yōu)化結(jié)果，改進(jìn)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(shí)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(qiáng)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(jì)性和耐沖擊性等幾個(gè)方面，碳纖維復(fù)合材料翼子板優(yōu)點(diǎn)：
a) 阻尼較高，較好的隔音性能；
b) 剛度較高，提高閥蓋抗凹性；
c) 減重50%以上，提高鎖、鉸鏈耐久性；
d) 較高的模態(tài)，提高NVH性能；
e) 集成化設(shè)計(jì)，內(nèi)板可集成加強(qiáng)板，減少零件個(gè)數(shù)
f) 直接安裝，不需要改線。



4 結(jié) 論
降低車重只有三種途徑，一是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，二是先進(jìn)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(jì)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(jìn)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(shí)間，降低碳化、石墨化成本，從而達(dá)到降低碳纖維成本達(dá)到汽車節(jié)能減排的作用。