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钢/碳纤维混合材料汽车B柱的设计与制造

2020-06-19 07:38      点击:
 01 前语

  【轿车碳纤维】现在在轿车工业中,跟着油耗和排放法规的加严,轿车减重成为OEM面对的重要问题。纤维增强复合资料,特别是碳纤维复合资料的运用,可在完结轻量化的一起进步耐撞性。现在,碳纤维复合资料已被广泛运用于各种轿车零部件,如引擎盖、保险杠、车顶等。      轿车的磕碰安全性要求越来越严厉,其间就包含旁边面磕碰的安全性。当车辆发生旁边面磕碰时,即便磕碰能量很低,乘客也可能会遭到严峻损伤。其主要原因为:轿车车架和乘客之间的距离太近,且只要很少的旁边面部件能够吸收磕碰能量。在旁边面磕碰中,B柱是乘员维护最重要的部分,B柱的规划一般需求具有较好的能量吸收性。因而,旁边面磕碰的耐撞性一般经过磕碰后B柱的变形程度来评价。B柱常用的高强度钢等金属资料具有较高的强度和刚性,但已无法满意日益严厉的安全法规和轻量化需求。因而,碳纤维复合资料等轻质资料在车身磕碰结构件中备受重视。      本研讨选用CFRP资料代替B柱中的钢制加强筋,制作了钢/碳纤维混合资料B柱,在减重的一起,进步其侧碰安全性。考虑到分量、本钱和抗冲击性,运用有限元办法(FEM)确认了CFRP的铺层厚度,优化了CFRP的铺层视点。选用等效静载荷办法(ESLM)进行工艺优化,CFRP资料的B柱组件选用树脂传递模塑(RTM)制作,然后与其他组件拼装在一起。终究,经过落球实验评价其抗冲击功能。
02 有限元模型

2.1 惯例钢制B柱
    运用LS-DYNA进行有限元分析以评价耐撞性,并经过落球实验进行测验。轿车用钢制B柱模型如图1a-c所示,组件包含B柱、车顶梁和门槛梁。如图1c所示,B柱由外板、内板和加强筋组成。加强筋分为两个部分(绿色和赤色部分),并经过三个衔接件拼装。B柱组件的一切组件都经过点焊进行衔接(图1b)。三种钢材的机械功能如表1所示,出于商业技能的保密要求,这儿没有给出具体的资料商标。
  2.2 CFRP B柱
    CFRP B柱的开发旨在代替传统的钢制B柱,以减轻分量,一起进步冲击功能。如图1d所示,在B柱组件中,用CFRP资料代替了钢制加强筋。CFRP加强筋一体成型,仅有一个部件,经过胶粘剂粘接到外板上。关于CFRP加强筋的建模,运用外面板的几许形状,并考虑了外面板上孔的方位,在具有3221个shell单元的零件几许体上生成了网格,如图2a所示。然后,在LSDYNA中对层压复合资料进行模仿,研讨每层的厚度和铺层视点。经过纤维轴向(FD)和横向(TD)的机械功能来研讨碳纤维复合资料的各向异性。CFRP的机械功能如表2所示。
 
  2.3 旁边面磕碰模仿
    如图3a所示,对钢和CFRP B柱进行了模仿,并比较它们的抗冲击功能。依照相关测验规范,运用直径为250mm、总质量为400kg的半球形冲击器,冲击速度设定为6.261m/s。依据势能和动能之间的等效联系,自由落体实验中的冲击能量为7840J,高度为2m,如下式所示:
 
    其间m、g、h和v别离是冲击器的质量、重力加速度、自由落体的高度和冲击速度。如图3a所示,冲击器被建模为两个独立部分的钢制实体。底部部分的质量为59千克,在碰击器的上部添加了341千克的质量,以与测验设备的总质量相符。磕碰方位距B柱边际350毫米(图3a),这是事故中常见的磕碰方位之一。当B柱被冲击器磕碰时,丈量B柱的变形曲线和冲击载荷。
  03 CFRP B柱加强筋规划

3.1 CFRP厚度的确认
    与钢制B柱比较,CFRP B柱规划为在碰击后将B柱的最大变形下降25%,一起将加强筋的分量削减60%。对碳纤维复合资料的铺层规划进行模仿,如图2b所示,底层和顶层挑选了织造CFRP,而其他层则运用了单向(UD)CFRP。外层为织造层,供给了较大的稳定性,可防止UD复合资料横向的机械不稳定。内层运用UD复合资料,本钱较低,且可经过优化铺层方历来到达所需的机械强度。铺层依照[45°w,-45°ud,45°ud]s,[45°w,-45°ud,45°ud,-45°ud]s和[45°w,-45°ud,45°ud,-45°ud,45°ud]s进行模仿,其间w和ud别离代表织造CFRP和单向CFRP。如图2a所示,在考虑耐撞性和分量要素确认厚度后,优化铺层次序。
 
  3.2 经过ESLM优化铺层视点
    复合资料因为其正交各向异性而表现出不同的机械功能,具体取决于铺层的视点。因而,应优化CFRP加强筋的铺层视点,以最大程度地进步冲击功能。规划方针是使B柱在碰击后的变形最小。挑选内部面板上的两个点(图3a中的点1和点2)的变形作为丈量规范。点1和点2别离坐落距B柱边际350和600 mm处。变量设置为每个层的铺层视点,一起运用对称层压条件的束缚和距离为5°的离散变量。因而,树立铺层次序优化的数学公式如下:
 
    其间θi是每一层的铺层视点。为了对动态影响进行优化,选用了ESLM算法,其具体流程如图4所示。
 
04 实验

4.1 力学功能测验
    测验CFRP的机械功能(包含拉伸、紧缩和剪切功能),以进行冲击性仿真和优化。样品是经过真空辅佐传递树脂模塑(VARTM)工艺制作的,该工艺也用于制作B柱产品(图5)。运用了双向(0°/90°)斜纹织造的碳纤维织物和单向(UD)碳纤维复合资料(法国CHOMARAT)。树脂运用KUKDO Chemical的产品(环氧树脂,固化剂别离为KFR-123和KFH-163)。选用VARTM工艺的具体进程如图5所示。别离对试样进行拉伸、紧缩和剪切实验,如图6。然后再按上述规范进行冲击模仿测验。
 
  4.2 CFRP B柱的制作
    根据上述确认的规划参数,制作了CFRP B柱。制作进程如图7a所示,制成的加强件如图7b所示。用砂纸对进行抛光,然后用胶水粘兼并固化。选用环氧型胶水(Ashland Inc.)进行CFRP和钢的粘合。粘接后,将外板部分与其他组件(如内面板、车顶和门槛)经过点焊衔接,终究组件如图7b所示。
 
  4.3 落球测验
    在与仿真模仿中运用的相同条件下,对钢制B柱和CFRP B柱进行落球测验。运用图3b中的落球实验机,将冲击器从2m的高度坠落,冲击速度为6.261m/s。然后获得冲击进程中的力-位移曲线。
05 成果与谈论
表3给出了不层数复合资料组件的分量和相关于钢制部件的减重率。能够看到,一切CFRP加强筋事例的分量都比钢制筋轻两倍以上。6层和8层的厚度成为规划的候选计划,其满意与钢比较,增强资料的分量削减60%的要求。
 
    经过比较不同层数的状况来研讨厚度的影响,然后经过考虑B柱的分量和挠度曲线确认厚度。B柱的挠曲曲线和冲击后的位移如图8和表4所示,由图可知,一切CFRP shell单元的位移均小于钢,而且挠度随厚度的添加而减小。与钢比较,8层CFRP的最大位移下降了28.2%,而6层CFRP的最大位移下降了21.7%,因而,确认铺层厚度为8层。其间,外层为两个碳纤维织造物复合资料层,内层有六个UD碳纤维复合资料层。
 
    ESLM发生的最佳铺层方向为[85°w,85°ud,90°ud,75°ud] s,将其与初始铺层方向([45°w,-45°ud,45°ud,-45°ud] s)进行比较,如图9b、c所示。此外,还比较了[0°w,0°ud,0°ud,0°ud] s和[90°w,90°ud,90°ud,90°ud] s的铺层方向。虽然铺层方向对资料功能的影响小于厚度,但也能够调查到明显差异。值得注意的是,即便CFRP增强部件的分量仅为B柱总分量的13.2%,在不同的铺层方向也调查到了冲击后位移的很大差异。终究优化成果显现,纤维方向应沿B柱的歪斜方向摆放,歪斜视点相关于水平轴约为70°至87°,如图2a所示。当纤维方向沿B柱方向歪斜时,B柱的抗弯强度可能会沿其方向添加,然后导致B柱一切方位的抗冲击性较高。这意味着为了优化铺层方向,应具体考虑规划区域的碰击条件和部件的几许形状,现在0°、90°和45°等的简略且常见的方向已在复合资料轿车部件的规划中广泛运用。
 
    为了验证FEM的规划成果,进行了落球测验,成果如图10所示。仿真成果与测验成果较为类似,钢B柱的最大力和位移要大于CFRP B柱。此外,如图11a所示,测验中的B柱变形状况与仿真模仿成果具有较高的一致性。可是,如图11b所示,制作进程中运用粘合剂将外板和增强资料粘合在一起,而测验后其呈现了剥离。可是,仿真模仿中的粘合被认为是完美结合的,没有发生剥离。
 
    经过仿真和实践测验成果的比较,证明了仿真模型的可靠性和CFRP优异的耐冲击性。咱们能够得出定论,即便仅将分量比为总分量的13.2%的一部分B柱加强筋资料由钢材替换为CFRP,其耐撞性也得到了明显进步。这意味着假如将其他组件替换为CFRP,则能够进一步进步冲击功能。一起,研讨成果表明,能够经过有限元模仿成功地完结包含B柱在内的轿车结构规划,而且CFRP资料在减小分量的一起也能够大大进步轿车的冲击功能。
  06 定论
    本研讨对CFRP B柱进行了优化规划,较传统钢制B柱减轻了分量且进步了耐撞性。一起,经过落球测验来表征轿车B柱的旁边面抗冲击性。经过有限元模仿对碳纤维复合资料的厚度和铺层方向进行规划。考虑到分量和耐撞性,终究层数确认为两个碳纤维织造层和六个碳纤维UD层的8层结构。优化了8层的铺层方向,终究为[85°w,85°ud,90°ud,75°ud]s,获得了超卓的防撞功能。选用VARTM工艺等制作了CFRP B柱,并进行了落球实验,成果表明:与钢B柱比较,CFRP B柱表现出更好的耐撞性,且测验成果与仿真模仿成果具有较高的一致性。   标签: 轿车碳纤维 混合资料 B柱  
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