采用碳纖維增強塑料的汽車翼子板設計及性能優(yōu)勢解析

汽車翼子板位于車輪外側(cè)，用于遮蓋輪轂，可防止行駛過程中車輪帶起的砂石、泥漿等對輪轂和車廂底部的損壞，因為形狀類似鳥類的翅膀而得名；根據(jù)其所處位置，翼子板又分為前翼子板和后翼子板，汽車翼子板屬于一種車身覆蓋件，對汽車的外形觀感、性能等具有較大的影響。
 

傳統(tǒng)的汽車翼子板采用金屬材料制成，而隨著汽車車身輕量化的發(fā)展，世界各國的汽車加工企業(yè)都開始用塑料取代金屬制作翼子板，塑料易于加工成型，能夠使汽車的線條結(jié)構(gòu)更加圓潤，增加汽車的外觀美感；同時塑料的來源廣泛、價格便宜，可降低汽車的生產(chǎn)成本，又能保證翼子板的機械強度，因此塑料翼子板已成為當前的主流。
 

碳纖維增強塑料是用碳纖維作改性增強材料，與塑料基體通過一定的方法制得的一類具有較高力學性能的工程材料，碳纖維增強材料的韌性和拉伸強度高于鋁合金，僅次于鋼材，而密度僅為鋼材的1/6～1/7，對于普通家用轎車，碳纖維增強塑料制成的翼子板比鋼材翼子板減重了50％，有效降低了車輛的油耗。本文主要圍繞碳纖維增強塑料翼子板的設計和性能優(yōu)勢展開論述。
 

1、塑料翼子板的設計要點
 

可用作翼子板材料的塑料應當具有較高的結(jié)構(gòu)強度和耐熱性能，尼龍（PA）、聚苯醚（PPO）、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯共聚物（ABS）等是優(yōu)選的塑料品種，不同種類的塑料性能不同，常用這些塑料的復合材料，有TPO－M30、PA＋PPO、PA＋ABS，復合塑料的具體性能如表1所示。
 

根據(jù)塑料原材料的性能，塑料翼子板的成型工藝主要有SMC模壓成型和注塑成型兩種。其中SMC模壓成型得到的塑料翼子板表面粗糙度較高，且不能回收利用廢棄的塑料翼子板材料，因此目前已逐漸被取代；注塑成型工藝的過程為：首先制備塑料翼子板的模具，將塑料熔體注入模具的模腔內(nèi)，冷卻固化后脫模而成，制備過程簡單且可重復性強。注塑成型完畢后，要對塑料翼子板進行表面涂裝，使其表面顏色與車身其他部位顏色匹配，涂裝工藝主要有Online、Inline（在線噴涂）和Offline（離線噴涂）等。其中Online是將塑料翼子板裝配上車身之后，對車身和塑料翼子板進行整體涂裝；Inline是在涂裝車間對塑料翼子板首先進行電泳燒烤，再進行單獨的涂裝；Offline是離線噴涂，無需考慮車身其他部位顏色，因此色差較大。

 

塑料翼子板結(jié)構(gòu)設計中首先要考慮定位點的選擇，一般是將塑料翼子板的定位點設置在A立柱的附近，確保塑料翼子板有足夠的承力點，以此為基礎(chǔ)進行安裝孔的選擇，可使結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定；塑料翼子板與前后保險杠的配合處也要考慮配合間隙，保險杠支架的卡槽和邊緣配合精度越高，安裝精度也越高；此外，塑料翼子板與車門間隙的配合對汽車的外觀影響較大，準確定位可改善汽車外觀；塑料翼子板與車燈的間隙也要符合設計要求。對塑料翼子板進行準確的定位，能夠增加裝配的精度，降低工人勞動強度，采用模塊化的設計更能強化上述性能，使塑料翼子板的設計更加符合汽車的裝配原則。

2、碳纖維增強塑料的性能特點
 

碳纖維增強塑料是一種各向異性材料，碳纖維布的鋪設方式、結(jié)構(gòu)參數(shù)等對汽車塑料翼子板的性能均有較大影響，碳纖維增強塑料的性能如表2所示，與表1相比，可看出碳纖維增強塑料的密度更大，但是各項性能也要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的塑料材料。常用的碳纖維增強塑料中，碳纖維是以聚丙烯腈纖維、粘膠纖維等為原材料，在高溫（300～1000℃）下經(jīng)過碳化過程制備而成的，碳纖維的尺寸小但強度高；以塑料熔體為基材，用機械共混法使碳纖維在塑料基材中混合均勻隨后固化即得到了碳纖維增強塑料。

3、汽車碳纖維增強塑料翼子板的設計過程

結(jié)合計算機輔助技術(shù)，對碳纖維增強塑料在汽車翼子板中的應用進行仿真優(yōu)化分析，可得到最佳的設計方案，典型的仿真設計流程如圖1所示。

碳纖維增強塑料翼子板設計過程中，首要考慮的是尺寸的優(yōu)化問題，汽車碳纖維增強塑料翼子板相對于傳統(tǒng)的金屬汽車翼子板具有更高的熱膨脹系數(shù)和吸水率，而吸水性能的增加導致的材料膨脹極易造成產(chǎn)品外觀和尺寸缺陷，根據(jù)不同材料吸水性能的差異，結(jié)合汽車實際銷售地和使用地的環(huán)境條件，在注塑成型過程中應當預留尺寸膨脹余地，防止安裝后尺寸缺陷的發(fā)生。
 

自由尺寸優(yōu)化法是汽車結(jié)構(gòu)設計中最常用的方法之一，然而僅可用于概念設計階段，并未考慮實際的生產(chǎn)和成型加工工藝條件，在自由尺寸優(yōu)化法的基礎(chǔ)上，結(jié)合合理的采樣方法和算法，才能建立較為合理的初步汽車翼子板結(jié)構(gòu)模型，隨后結(jié)合CAE模擬分析技術(shù)，對模型進行校驗，得到精確度更高的模型，再采用合理的驗證手段對工藝過程進行驗證，并對不合理之處進行優(yōu)化，即可進行模型的交付。

例如，楊金玉等采用Catia軟件，首先創(chuàng)建汽車翼子板的結(jié)構(gòu)模型，對圓角處進行去除凸緣設計、部分裝配點單獨成型后與翼子板主體膠接在一起，得到了初步的模型，并用有限元分析理論進行了性能分析；隨后用CAE對翼子板的注塑成型過程進行模擬分析，重點分析了翼子板的剛度和抗凹性，分析發(fā)現(xiàn)：當沖擊載荷為220N時，最大變形量小于1mm；當有150N的作用力持續(xù)作用在汽車翼子板表面時，最大的彈性形變量僅為0.6mm，也小于1mm，并未見不可恢復的塑性形變產(chǎn)生。同時，在該方法的基礎(chǔ)上結(jié)合塑料增強材料的結(jié)構(gòu)、厚度、碳纖維的鋪設方式等，能夠在較短時間內(nèi)得到符合要求的設計方案，說明合理采用計算機技術(shù)對汽車翼子板結(jié)構(gòu)設計過程的重要性。又如，程章等[8]以碳纖維增強塑料翼子板為研究主體，用拉丁超立方采樣和有限元方法，建立了Kriging模型，并在分析過程中改進模型精度，最后用遺傳算法計算出合理的碳纖維鋪層順序，研究發(fā)現(xiàn)，進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的翼子板相對于優(yōu)化前可減重43.1％，剛度提高12.3％，進一步強化了汽車翼子板的輕量化。
 

綜上所述，碳纖維增強塑料作為一種新型的低密度、高強度材料，因其自身的低密度、高強度性能可廣泛用作汽車翼子板材料，實現(xiàn)汽車輕量化；而對汽車翼子板進行計算機輔助優(yōu)化設計，可進一步改善汽車翼子板的尺寸和裝配精度，并提高汽車翼子板的機械強度，為其實際生產(chǎn)應用提供更有力的幫助。
 

4、碳纖維增強塑料汽車翼子板設計過程的優(yōu)勢分析
 

汽車翼子板是汽車車身的重要組成部分，其設計方案是否合理也決定著汽車的整體性能，圖2為典型的家用轎車翼子板結(jié)構(gòu)，可看出翼子板整體為圓滑曲線過渡形式，有利于減小汽車行駛過程中的阻力，因此設計過程中要重點關(guān)注過渡曲線部分。

碳纖維增強塑料汽車翼子板相對于傳統(tǒng)的汽車翼子板，主要有以下幾方面的優(yōu)勢：

第一，車身輕量化效果顯著。與金屬材料相比，采用碳纖維增強塑料可減重45％以上，節(jié)能減排的優(yōu)勢明顯。

第二，產(chǎn)品生產(chǎn)加工工藝簡單、成本低。對于同一車型，僅需要設計一套模具，使用一套注塑工藝參數(shù)，即可重復生產(chǎn)多套性能穩(wěn)定的汽車翼子板，適合大批量生產(chǎn)。

第三，產(chǎn)品的耐腐蝕性強、壽命長。碳纖維增強塑料物理化學性能穩(wěn)定，不會像鋼材那樣易氧化生銹；且彈性模量較大，受到輕微碰撞后形變量小，維修成本低，壽命更長。

第四，安全性更好。碳纖維增強塑料的拉伸強度和沖擊強度高，車身受到撞擊后，能吸收大量的能量，傳遞至駕駛室內(nèi)的能量極小，能夠充分降低對駕乘人員的傷害。

除此之外，碳纖維增強塑料汽車翼子板還具有協(xié)調(diào)性好、對裝配精度要求低、高溫穩(wěn)定性能好、便于模塊化設計實現(xiàn)裝配集成化等優(yōu)點，因此已成為目前應用最廣泛的材料種類，并具有廣闊的應用前景。

5、結(jié)論

碳纖維增強塑料翼子板在設計過程中要結(jié)合材料類型選擇合適的成型和涂裝工藝，還應當考慮與車身裝配時的安裝定位和精度問題。汽車減重一直是車輛設計和材料選擇中的首要關(guān)注點，降低車身重量可從選擇輕質(zhì)材料、改善成型工藝、優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)等方面入手。作為汽車車身重要組成部分的汽車翼子板，選用低密度的碳纖維增強塑料、工藝路線較為成熟的注塑成型工藝、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設計采用自由尺寸優(yōu)化法并結(jié)合經(jīng)典算法和CAE模擬技術(shù)，能夠從各個方面解決降低車身自重，達到節(jié)能減排的目的。碳纖維增強塑料汽車翼子板與傳統(tǒng)的金屬材料翼子板和普通塑料汽車翼子板相比，機械強度和安全性能優(yōu)勢更加明顯。然而，對于碳纖維增強塑料而言，碳纖維的成本較高且制備方法多種多樣，如何改進現(xiàn)有的碳纖維生產(chǎn)工藝，降低碳纖維增強塑料的成本，也是汽車碳纖維增強塑料翼子板設計和性能優(yōu)化過程中應當考慮的因素之一。隨著汽車工業(yè)的不斷發(fā)展，相信這些問題也終會得到解決，并更好地助力汽車工業(yè)的發(fā)展。