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開發(fā)第一個精確的模擬工具,用于預(yù)測混合動力汽車車身的熱膨脹效應(yīng)

發(fā)布日期:2019-07-30 00:28  來源:漢高(中國)投資有限公司
一種新方法將根據(jù)粘合異種材料的特定應(yīng)用定制粘合劑

摘要

鋼與輕質(zhì)材料(從鋁和鎂到塑料和碳纖維復(fù)合材料)的連接在汽車車身中具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)在涂料烘烤循環(huán)中暴露于熱時,這些材料中的每一種以顯著不同的速率膨脹,可能破壞接縫中的粘合劑粘合。為了避免粘合劑失效,解決方案包括應(yīng)用額外的粘合材料和機械固定,導(dǎo)致更高的成本和重量,在主要基于三角形的錯誤的方法中。

當(dāng)熱量從朋友轉(zhuǎn)移到敵人

熱是金屬的變化無常的朋友。在車身中,熱量可以加強金屬,提供更高的抗凹痕性和耐撞性。它可以通過熔合或摩擦連接金屬部件。它可以通過將油漆涂在物體上來保護金屬免受腐蝕。但是,通過激活金屬的固有特性:熱膨脹,熱量也會對汽車車身產(chǎn)生不利影響。

在不同程度上,所有金屬在暴露于熱時會膨脹,在冷卻時會收縮。膨脹量確實變化的事實是設(shè)計師和工程師通過將多種輕質(zhì)金屬(和其他材料)結(jié)合到這些車輛中來試圖減輕汽車和卡車重量的潛在障礙。在這些情況下,熱量從朋友轉(zhuǎn)向敵人是由于用于保護汽車車身的油漆烘烤周期。

對于全鋼體,通常在部件之間的粘合劑接合處和機械固定中發(fā)生輕微的變形,例如,將鋼屋頂連接到鋼體側(cè)面。然而,即使在全鋼結(jié)構(gòu)中,由于不同的鋼厚度和幾何形狀也會產(chǎn)生問題。

然而,當(dāng)工程師建造組合不同金屬和材料的物體時,它們會遇到不同的CTE。例如,鋁屋頂將以與其所附接的鋼側(cè)面不同的速率膨脹。 類似地,熱量導(dǎo)致鎂,塑料和碳復(fù)合材料以不同方式膨脹。這種不均勻的膨脹可導(dǎo)致永久的組件/結(jié)構(gòu)變形,固化期間的粘合劑分層,或可導(dǎo)致粘合劑粘合線失效的殘余應(yīng)力。

由于膨脹性能的這種差異,將不同的材料暴露于油漆烘烤循環(huán)的強熱會導(dǎo)致粘合劑失效。在油漆烘烤循環(huán)期間固化油漆(和粘合劑)涉及在僅僅15分鐘內(nèi)從室溫起始點快速升高至高達190℃的熱水平,然后保持高熱水平,總加熱周期約為一個小時半。因此,材料膨脹很大,然后立即收縮。

為了彌補這種熱膨脹對粘合劑的影響,OEM通常會添加更多的粘合劑和更多的固定,這一過程可以增加成本和重量。由于行業(yè)目前還沒有對熱膨脹問題的理解達到一種分析層次,因此必須對接頭進行過度設(shè)計。在復(fù)雜的汽車結(jié)構(gòu)中,我們根本沒有捕捉到材料膨脹/收縮與粘合劑固化動力學(xué)之間的相互作用。我們需要了解更多,但無法從數(shù)據(jù)驅(qū)動的角度來看待這個問題。因此,工程師顯著增加了粘合劑和機械固定的數(shù)量,即使他們不知道哪些載荷比其他載荷更多。這通常會成為一種反復(fù)試驗。

由于在烘烤爐內(nèi)發(fā)生膨脹,CTE數(shù)據(jù)的收集變得復(fù)雜。迄今為止,該行業(yè)還未能準(zhǔn)確測量或模擬烤箱內(nèi)復(fù)雜接頭的情況。

一種測量和管理熱膨脹的新方法

為了成功地將各種輕質(zhì)材料集成到車輛中,汽車工業(yè)需要專門用于連接異種材料的粘合劑,在極端熱循環(huán)和隨后的冷卻過程中承受不同熱膨脹系數(shù)的粘合劑。此外,在組裝過程之外,有興趣模擬粘合劑粘合接頭的長期疲勞效應(yīng),其在涂料背襯循環(huán)期間“固有地產(chǎn)生殘余應(yīng)力”,并且提高了預(yù)測接頭耐久性的可信度。

該行業(yè)將受益于一系列新的粘合劑產(chǎn)品 - 標(biāo)準(zhǔn)成分的新配方 - 開發(fā)用于特定材料組合的開發(fā),而不是試圖開發(fā)單一粘合劑以滿足所有各種CTE要求。然而,生產(chǎn)這些類型的粘合劑需要更徹底和科學(xué)地理解熱膨脹如何影響可用于汽車車身的不同材料組合。

為熱膨脹效應(yīng)創(chuàng)建第一個準(zhǔn)確的預(yù)測工具

因此,漢高粘合劑作為汽車工業(yè)粘合劑的領(lǐng)先供應(yīng)商,已與克萊姆森大學(xué) - 國際汽車研究中心(CU-ICAR)合作,創(chuàng)建了一套實驗和數(shù)值模擬工具,最終將為OEM提供第一個準(zhǔn)確的預(yù)測模擬工具,用于預(yù)測加熱和冷卻由混合材料組成的物體時會發(fā)生什么。這些實驗旨在首先為模型校準(zhǔn)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù),然后提供另一組數(shù)據(jù)來驗證模擬工具并證明模擬與現(xiàn)實之間的一致性。

漢高正在開發(fā)具有專有模型的數(shù)值工具,CU-ICAR正致力于通過準(zhǔn)確的實驗數(shù)據(jù)進一步開發(fā)和校準(zhǔn)模型。這項工作的目的是提供真實的實驗數(shù)據(jù),以提供給模擬軟件,提供比迄今為止可能獲得的更準(zhǔn)確的熱膨脹圖。

所提出的實驗過程采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC),涉及在測試烤箱和環(huán)境室內(nèi)部或外部設(shè)置兩個或更多個相機,以在固化時實現(xiàn)粘合劑接合接頭的三維全場監(jiān)測。這是在多個層面完成的;從小樣本水平(單鍵線)一直到整個車輛水平(不同材料之間沿著多個粘合線的完全相互作用,有或沒有機械固定)。然后用專門的相關(guān)軟件分析在涂料烘烤循環(huán)期間捕獲的圖像以產(chǎn)生位移(膨脹和收縮)場,然后從該場獲得應(yīng)變(和可能的應(yīng)力)。這里開發(fā)的實驗方法被認(rèn)為是數(shù)字圖像相關(guān)性在汽車結(jié)構(gòu)熱膨脹研究中的首次全面綜合應(yīng)用。將實驗結(jié)果映射到涂料烘烤循環(huán)的有限元模擬結(jié)果,以驗證粘合劑分析模型。



這些方法可以測量十分之一毫米精度范圍內(nèi)的全場熱膨脹,從而可以高度準(zhǔn)確地了解基板,其接頭和粘合劑如何在汽車熱循環(huán)中相互作用。

測試涉及在優(yōu)惠券樣品,汽車部件或由與粘合劑層連接的不同(或非傳統(tǒng))材料組成的全白體組成上放置跟蹤點。將樣品暴露于熱循環(huán); 軟件通過測量X,Y和Z軸上跟蹤點的位移來測量關(guān)鍵節(jié)點處發(fā)生的情況,從而產(chǎn)生膨脹,收縮和扭曲的數(shù)據(jù)。然后將該輸出數(shù)據(jù)與由仿真模型預(yù)測的失真進行比較,作為驗證模型的手段。



艱巨的努力

設(shè)計測試程序一直很具挑戰(zhàn)性。在非常熱或冷的條件下操作時測量非常小的位移可能會導(dǎo)致攝像機出現(xiàn)機械故障,因此我們將它們放在爐外。 這意味著我們必須通過窗戶測量一切。需要確定適當(dāng)?shù)臄z像機角度和方向,以通過小窗口觀察腔室內(nèi)的樣本,同時避免眩光和折射誤差。當(dāng)測試室溫度升高時,出現(xiàn)視覺扭曲; 當(dāng)溫度降至-40℃時,窗戶傾向于云,阻擋了視線。

我們將光學(xué)測量系統(tǒng)集成到多個實驗裝置中,以便在樣品和元件級別上實現(xiàn)不同尺度的精確位移和應(yīng)變測量。在項目期間逐步進行了若干調(diào)整和驗證步驟。

開發(fā)的設(shè)置用于各種初步實驗,以驗證測試方法和測量的準(zhǔn)確性,并顯示可以生成并用于模型開發(fā)和驗證的數(shù)據(jù)類型。將樣品加熱至180℃,保持25分鐘,然后冷卻。得到的位移和應(yīng)變與溫度和力的測量結(jié)合。

我們發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)可以從樣品的前表面或側(cè)面提取位移和應(yīng)變,準(zhǔn)確地指示全場軸向位移以及平面外屈曲。與傳統(tǒng)技術(shù)相比,這種方法可以提供豐富的數(shù)據(jù),可以對粘合劑固化動力學(xué)模型進行高水平的校準(zhǔn)/驗證,以及提供支持粘合劑和貼劑產(chǎn)品開發(fā)的新信息以及混合物新接頭的設(shè)計材料。



隨著模型通過實驗得到改進,預(yù)測工具對于設(shè)計輕量化車輛可能變得越來越有價值。例如,如果OEM工程師正在考慮將鋁和鋼部件組合在汽車車身中,那么仿真工具將使他們能夠理解其設(shè)計的實用性,指出不可接受的配置并大幅減少所需的原型設(shè)計量。 我們在漢高設(shè)想,一旦這種方法應(yīng)用于完整的汽車車身,我們將開始設(shè)計特定于這些車身的粘合劑,并將設(shè)計原則應(yīng)用于這些應(yīng)用。 OEM將能夠通過這種基于DIC的方法保密地向Henkel提交他們的設(shè)計以進行驗證。 漢高將與OEM合作測試白車身或更小的樣品,然后提供合適的粘合劑來管理車身將經(jīng)歷的熱膨脹。

漢高和CU-ICAR將使用我們的系統(tǒng)檢查關(guān)節(jié),而客戶可能希望查看子組件或整車以確定相對運動。該系統(tǒng)是可移動的,可以在客戶現(xiàn)場設(shè)置,或OEM可以使用漢高自己的測試實驗室。



迄今為止,漢高和CU-ICAR主要專注于實驗階段,使用優(yōu)惠券尺寸的粘合金屬樣品。現(xiàn)在正在進行流程開發(fā)的后續(xù)階段。

影響汽車設(shè)計的未來

漢高/ CU-ICAR測試系統(tǒng)將使?jié)h高能夠開發(fā)各種粘合劑,使未來的粘合劑能夠根據(jù)其應(yīng)用進行定制。目標(biāo)是通過將實驗驗證引入到允許這些模型擴展的仿真模型中,為粘合劑的設(shè)計提供指導(dǎo)。

最終結(jié)果將是符合車輛工程要求的粘合劑。目前,粘合劑是圍繞標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)合優(yōu)惠券性能規(guī)格而非實際應(yīng)用而建立的。某些規(guī)格會導(dǎo)致應(yīng)用程序沖突。當(dāng)針對特定應(yīng)用創(chuàng)建粘合劑時,我們將擁有更好的設(shè)計指南。這種方法可以在整個工程過程中提供更高水平的確定性,同時減少原型設(shè)計。

在未來,由于車身采用多種材料制造,我們可能需要一種專注于關(guān)節(jié)膨脹和收縮的專業(yè)設(shè)計方法。例如,該過程可能指出基板表面區(qū)域(例如鋁屋頂)對于車輛設(shè)計而言太大或太薄并且將推薦最適合于結(jié)合該結(jié)構(gòu)的粘合劑類型。

使用精確的預(yù)測模型,可以引入更多特殊材料,更可靠地確保其熱膨脹系數(shù)可以通過應(yīng)用目標(biāo)粘合劑進行管理。

除汽車行業(yè)外,特定應(yīng)用的粘合劑也為航空航天業(yè)提供了巨大的可能性。航空航天經(jīng)常成為從鈦到碳復(fù)合材料的新材料應(yīng)用的試驗場。漢高粘合劑可以設(shè)計成與汽車車身一樣成功地滿足航空結(jié)構(gòu)的輕量化和耐久性要求。

漢高今天準(zhǔn)備與有興趣開發(fā)混合動力汽車車身的OEM進行對話,并開始分析他們的具體需求。我們相信漢高/克萊姆森系統(tǒng)將有意義地影響世界車輛的未來。 
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