碳纖維復(fù)合材料車門多位一體研發(fā)技術(shù)

摘要：當(dāng)前，新能源技術(shù)、輕量化技術(shù)和智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)是引領(lǐng)汽車行業(yè)發(fā)展和技術(shù)革新的三大方向，碳纖維復(fù)合材料以其質(zhì)輕高強的性能成為汽車輕量化技術(shù)領(lǐng)域的翹楚。由于碳纖維復(fù)合材料的特殊性和復(fù)雜性，本文從材料選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化，鋪層設(shè)計與優(yōu)化，裝配連接設(shè)計，仿真分析，工藝成型等多方位、全流程地探索碳纖維復(fù)合材料車門的研發(fā)技術(shù)，以實現(xiàn)車門結(jié)構(gòu)的輕量化、集成化和模塊化。

1 引言

輕量化技術(shù)作為新能源汽車的核心技術(shù)之一，是實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色發(fā)展，以及促進汽車行業(yè)共贏的必經(jīng)之路，目前已經(jīng)成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢。實現(xiàn)汽車輕量化最直接、最有效的方式是使用輕量化材料。碳纖維復(fù)合材料（CFRP）具有高強度、高剛度、高斷裂韌性、耐腐蝕、高阻尼等特點，可大幅減輕整車重量，減重比達50%-60%，同時大幅提高汽車服役壽命、燃油效率和安全舒適性，已被公認(rèn)為汽車工業(yè)領(lǐng)域最理想的輕量化材料。
 

本文基于等剛度原則，以原金屬鋼制車門的性能指標(biāo)為參考，通過對車門的多方位、全流程解析，提出了碳纖維復(fù)合材料車門設(shè)計的幾種新思路和方法，充分發(fā)揮了復(fù)合材料的可設(shè)計性和多功能性，結(jié)合公司多個項目的設(shè)計經(jīng)驗，實現(xiàn)了碳纖維復(fù)合材料車門從理論到實踐的演化，為汽車輕量化的發(fā)展提供參考方向。
 

2 材料選擇與測試
 

根據(jù)零件的使用性能、安全耐久和受載情況等因素需要選擇合適的材料來成型制造汽車復(fù)材制品。針對汽車行業(yè)碳纖維的性能要求，按碳纖維強度級別分常用的有T300、T700級；按中間材料形式有預(yù)浸料、織物、單向帶、多軸向編織布等；按絲束大小有3K，6K，12K，18k，24K，48K等；按典型樹脂類型有環(huán)氧樹脂、聚氨酯、雙馬樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂等；以上材料成分和材料形式的選擇都需要綜合考慮外觀，使用環(huán)境，性能，成本，工藝等諸多因素。

本文研究的車門選擇T300級別，絲束3K的雙軸向碳纖維織物增強環(huán)氧樹脂基預(yù)浸料。
 

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

3.1模型簡化設(shè)計

由于復(fù)合材料的成型是多層預(yù)浸料鋪疊加壓固化而成，因此在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮到纖維鋪覆的工藝性，即盡可能使轉(zhuǎn)角過渡平滑，減少加強筋、加強槽等特征。因此，在獲得車門金屬數(shù)據(jù)模型和設(shè)計硬點信息后，首先需要對模型進行簡化處理，去除或減少用于增加剛度的加強槽和加強筋，處理轉(zhuǎn)折區(qū)及圓角處的過渡。

車門內(nèi)板的金屬模型和簡化處理后的復(fù)材模型結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。

圖3.1車門內(nèi)板金屬模型和復(fù)材模型 

層壓結(jié)構(gòu)的圓角半徑與所選用材料的柔性、模具、層壓件厚度等有關(guān)。最小圓角半徑需與制造部門確定，圓角半徑過小，會在拐角區(qū)域發(fā)生纖維拉斷、架橋和樹脂堆積等制造缺陷，因此，設(shè)計復(fù)合材料層壓結(jié)構(gòu)時，在拐角處應(yīng)盡可能的給較大的半徑，盡量避免形成尖銳的棱角。

車門內(nèi)板圓角過渡處金屬模型和處理后的復(fù)材模型如圖3.2所示。

圖3.2 車門內(nèi)板圓角過渡處金屬模型和復(fù)材模型 

3.2集成化設(shè)計

傳統(tǒng)金屬車門結(jié)構(gòu)一般包括外板、內(nèi)板、窗框加強板、上下鉸鏈加強板、鎖加強板、限位器加強板、腰線加強板和防撞橫梁等結(jié)構(gòu)組件，一般鋼制金屬車門模型爆炸圖如圖3.3所示。

圖3.3 金屬車門總成模型爆炸圖 

復(fù)合材料的優(yōu)勢是可以將若干個零部件組合為整體成型，以大幅減少零件和緊固件數(shù)量，簡化連接和裝配，降低復(fù)合材料的制造成本，實現(xiàn)材料、功能、結(jié)構(gòu)的一體化。
 

使用復(fù)合材料集成化設(shè)計可以將車門限位器加強板、鎖加強板和鉸鏈加強板集成到內(nèi)板，在保證各項法規(guī)要求和性能指標(biāo)的前提下，解決限位器的安裝問題和運動校核，在限位器和鉸鏈安裝區(qū)域局部加厚，提高局部強度和剛度；還可以將防撞梁集成到車門外板，采用夾心結(jié)構(gòu)的設(shè)計方式不但提高了外板的整體剛度，還減少了零件數(shù)量和裝配成本。
 

防撞橫梁集成到外板的碳纖維復(fù)合材料泡沫夾芯結(jié)構(gòu)如圖3.4所示。

圖3.4 金屬車門方案與復(fù)材車門方案 

4 鋪層設(shè)計與優(yōu)化

鋪層設(shè)計是復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的關(guān)鍵，鋪層設(shè)計的核心技術(shù)是如何將單層結(jié)構(gòu)的優(yōu)異性能傳遞到復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部件上，使鋪層結(jié)構(gòu)起到承上啟下的作用。因此，復(fù)合材料鋪層設(shè)計既要考慮到復(fù)合材料部件的受載情況和傳力路徑，還要注意復(fù)合材料成型的工藝難易程度。碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計的基本原則為：
 

a)  主應(yīng)力原則：纖維取向應(yīng)盡量與構(gòu)件的主應(yīng)力方向一致，充分發(fā)揮纖維的承載性能。

b)  對稱均衡原則：對稱均衡層合板可以避免各種耦合作用引起固化后的翹曲變形。

c)  鋪層定向原則：一般多采用0°、90°和±45°等鋪層方向，盡量減少鋪層方向以簡化設(shè)計和施工量，且任一鋪層的最小比例≥10%。

d)  鋪設(shè)順序原則：同一鋪層角的鋪層盡量均勻分布，一般不超過4層，以防分層、開裂破壞。

在虛擬工藝鋪覆過程中，需要對鋪覆結(jié)果進行評估，鋪覆性不好的地方應(yīng)采取合理分塊、更改鋪層起始點，剪口，補片等設(shè)計手段對分塊或者鋪層原點進行優(yōu)化，直至鋪覆性分析完全通過。

本文中的碳纖維復(fù)合材料外板結(jié)構(gòu)簡單，外形流暢光順，在所選預(yù)浸料布幅足夠的情況下直接整體鋪覆；內(nèi)板結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，為了滿足預(yù)浸料鋪覆的工藝性，需要分塊鋪覆。

基于西門子Fibersim復(fù)合材料設(shè)計軟件，對外板和內(nèi)板的各鋪層方向織物的鋪覆性進行了分析和優(yōu)化，內(nèi)板和外板工藝鋪覆性良好，能夠滿足制造需要。車門外板鋪覆性效果如圖4.1所示，車門內(nèi)板鋪覆性效果如圖4.2所示。

圖4.1 車門外板鋪覆性效果

圖4.2 車門內(nèi)板鋪覆性效果

鋪層展開圖用于復(fù)合材料車門的制造，導(dǎo)出數(shù)據(jù)可以直接作為自動裁布機可識別的信息。碳纖維復(fù)合材料車門內(nèi)板0/90°方向鋪層展開圖如圖4.3所示。

 

圖4.3 車門內(nèi)板鋪層展開圖

5 連接設(shè)計與裝配

在復(fù)合材料連接設(shè)計技術(shù)中，一般需要考慮到結(jié)構(gòu)件傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素，除此之外還要從環(huán)境狀況、可檢測性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和制造成本等方面進行考慮。復(fù)合材料連接一般分為機械連接、膠接及混合連接。

5.1機械連接

圖5.1 機械連接示意圖

5.2膠接連接

復(fù)合材料的膠接是指借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實用、有效的連接工藝技術(shù)，在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)連接中應(yīng)用較普遍。膠粘連接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計形式也是多種多樣的，根據(jù)被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據(jù)材料的粘接方式又可分為對接、搭接、插接、階梯搭接等等。膠接連接示意圖如圖5.2所示。

圖5.2 膠接連接示意圖

5.3混合連接

圖5.3 混合連接示意圖

6 工藝成型及加工處理

6.1工藝成型

先進樹脂基復(fù)合材料的成型與制造技術(shù)基本上可分為兩大類，即濕法成型和干法成型。

濕法成型常用的成型方法有樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空輔助成型（VARI）等。

干法成型常用的成型方法有熱壓罐成型、模壓成型等。對于大尺寸形狀復(fù)雜、整體化程度高的制件，要用熱壓罐成型。而對于尺寸較小的高精度制件，通常用模壓成型。

碳纖維復(fù)合材料成型工藝的選擇是與原材料的選擇同時進行的。本文研究的車門外板和內(nèi)板均選用了預(yù)浸料，其成行方式隨之也就確定為干法成型，考慮到其尺寸較大、安裝面和安裝孔精度要求較高，尤其是車門外板的表面質(zhì)量要達到A級，內(nèi)板結(jié)構(gòu)復(fù)雜且為變厚度層壓結(jié)構(gòu)，因此，內(nèi)板和外板均采用預(yù)浸料雙面剛性模具模壓成型。

6.2加工處理

復(fù)合材料固化成型之后還需要對其機加工處理，一般都需要鉆孔，切邊，打磨等，尤其是對于類似車門內(nèi)外板這種結(jié)構(gòu)復(fù)雜的復(fù)材制品，制孔數(shù)量多、難度大、精度高，加工耗時多，成本高。

碳纖維復(fù)合材料制品的機械加工通常分為傳統(tǒng)加工和先進加工兩類方法，傳統(tǒng)機械加工方法基本上沿用了金屬加工工藝和設(shè)備，先進復(fù)合材料加工方法大大提升了制品的加工質(zhì)量和性能。傳統(tǒng)加工方式不能滿足加工質(zhì)量要求，還可能對復(fù)材制品造成損傷，甚至破壞，先進加工方法設(shè)備昂貴，加工成本太高。

先進加工技術(shù)包括激光加工、高壓水射流加工、超聲波加工等技術(shù)。

7 結(jié)論

以上提到的碳纖維復(fù)合材料車門結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和技術(shù)已獲得多個項目的實際驗證，但是難免有不足之處，比如經(jīng)濟性、維修性和制造能力等因素成為汽車企業(yè)向碳纖維市場轉(zhuǎn)移的障礙。隨著碳纖維行業(yè)的不斷發(fā)展和汽車輕量化技術(shù)的日益成熟，碳纖維復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用會更加廣泛。

波客公司通過大量相關(guān)產(chǎn)品研發(fā)項目實踐經(jīng)驗，總結(jié)出了碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計在汽車行業(yè)應(yīng)用的基本流程，探索出了汽車輕量化設(shè)計的新思路、新技術(shù)，尤其是汽車覆蓋件的復(fù)材化設(shè)計技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，相對鋼制金屬覆蓋件減重比超過50%，為多家國內(nèi)汽車主機廠或研發(fā)中心提供技術(shù)咨詢和服務(wù)。
 

參考文獻

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