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【技术帖】汽车用碳纤维复合质料的结构设计与加工工艺

本文摘要:摘要:相比于传统铝合金、高强钢和玻纤复合质料等质料,碳纤维复合质料减重效果和强度优势越发显着。在海内市场,虽然已有部门展车实现碳纤维复合质料在汽车车身局部及一些零部件上的应用,但现在尚处于样车、样件及研制品的阶段。如何开发出适用于汽车量产工艺和制造节奏的加工及毗连工艺,同时降低制造成本,仍然是海内碳纤维复合质料在量产汽车领域应用的重浩劫点。本文先容了碳纤维的各向异性与复合质料设计方法、加工工艺及多质料毗连工艺的方法。

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摘要:相比于传统铝合金、高强钢和玻纤复合质料等质料,碳纤维复合质料减重效果和强度优势越发显着。在海内市场,虽然已有部门展车实现碳纤维复合质料在汽车车身局部及一些零部件上的应用,但现在尚处于样车、样件及研制品的阶段。如何开发出适用于汽车量产工艺和制造节奏的加工及毗连工艺,同时降低制造成本,仍然是海内碳纤维复合质料在量产汽车领域应用的重浩劫点。本文先容了碳纤维的各向异性与复合质料设计方法、加工工艺及多质料毗连工艺的方法。

关键词:汽车轻量化碳纤维复合质料结构设计加工工艺毗连工艺1 前言凭据《节能与新能源汽车工业生长计划(2012-2020年)》的要求:停止2020年,乘用车平均油耗需降至5.0升/百公里,节能型乘用车油耗不得高于4.5L。有研究数据讲明,传统能源汽车车身自重消耗了约70%的燃油,如果整车重量减轻10%,油耗可降低6%-8%。电动汽车方面,由于动力电池容量有限,续航里程成为其广泛推广的一大瓶颈因素。因此,电动汽车对车身减重的需求更为紧迫。

由此可见,在国家政策法例的驱动及猛烈的市场竞争情况下,车身轻量化设计已是汽车生长的一定趋势。车身减重设计可通过三个维度实现:结构优化设计、接纳先进制造工艺和新型轻量化质料。

汽车结构设计已履历了一百多年的履历累积,通过结构优化举行减重的空间已十分有限。先进制造工艺包罗液压成型、激光焊接等。新型轻量化质料包罗高强钢、铝合金、镁合金、以及高性能工程塑料和玻纤、碳纤维复合质料等。

凭据英国质料系统实验室的研究效果,相对于其他新型质料,碳纤维复合质料车身的减重效果最显著;与传统钢材车身相比,接纳碳纤维复合质料的车身可减重一半以上。碳纤维复合质料不仅具有质轻高强的优势、同时具有良好的可设计性。而且,复合质料可以一体化成型,大幅淘汰了零部件和紧固件数量;此外,碳纤维复合质料应用于汽车车身,能够提高碰撞吸能性、减振性和抗疲劳性。

减重的同时,保证车辆碰撞宁静性并提升乘坐舒适性。现在,碳纤维复合质料应用于车身及零部件在外洋已有量产案例。

宝马i3,i8及7系已应用碳纤维于车身。在宝马7系的乘员舱区域,车身由钢部件、铝合金部件和碳纤维部件组合组成,实现了差别质料间性能上的协同互补。其中,碳纤维复合质料作为车身结构增强件,在减轻车身重量的同时提高了整车碰撞宁静性。

疾驰SLR跑车,前纵梁由碳纤维复合质料制成,在发生正面碰撞时可以彻底吸收碰撞能量,可以保证乘员舱的结构基本不受影响;此外,SLR的乘员舱全部由碳纤维复合质料组成,在发生侧碰和尾部撞击时为搭客的宁静性获得了可靠保障。丰田汽车Mirai的燃料电池框架和储氢罐接纳了碳纤维复合质料。海内方面,奇瑞推出过艾瑞泽7混动版观点车,车身接纳碳纤维复合质料,减重效果到达48%。

此外,海内一些主流整车厂也在研制碳纤维复合质料零部件,如发念头罩盖、防撞梁、翼子板、B柱、顶盖、动力电池上盖等部件,但尚未导入量产车型。在海内碳纤维复合质料无法投入到量产车型的原因如下:首先,碳纤维原质料价钱昂贵,海内的制造商对产物品质及成本的控制能力较弱,无法打破外洋的价钱壁垒;第二,主机厂缺乏复合质料设计履历,包罗仿真分析、试验验证等。

缺乏设计分析软件和完善的质料性能数据库,以及设计规范和验证尺度。第三,碳纤维复合质料的加工周期相比传统金属质料较长,现在还无法到达汽车量产节奏的要求。

最后,售后维护与接纳体系不成熟。修复工艺与传统质料存在较大差异,专业性较强,修复人员必须具备一定的专业基础。接纳使用难题,现在海内还没有大规模接纳使用的成熟案例。

本文主要先容了如何使用碳纤维的各向异性对质料举行结构设计,汽车用碳纤维复合质料的加工工艺及毗连工艺,以期对碳纤维复合质料以后在汽车轻量化领域的生长与应用有所资助。2 碳纤维的各向异性与复合质料的结构设计2.1碳纤维的各向异性碳纤维(CarbonFiber,简称CF),由片状石墨微晶沿纤维轴向堆砌而成,含碳量在95%以上,是一种高强度、高模量的新型纤维质料。

因微晶在轴向取向排列,所以碳纤维存在各向异性的特点,即复合质料主强度、主刚度在纤维轴线偏向。碳纤维的各向异性赋予了碳纤维复合质料灵活的设计性,可凭据差别的功效和力学性能需求灵活地设计产物结构。

通过调整纤维及树脂基体的种类和纤维的排布方式及加工工艺可满足部件在差别位置和偏向的力学性能要求。将碳纤维根据受力偏向举行铺设,不仅能够发挥碳纤维在纤维轴向偏向的力学性能优势,同时可以节约质料、减重降本。

2.2碳纤维复合质料的结构设计碳纤维复合质料的力学性能取决于纤维的种类、铺设方式、树脂基体特性、纤维含量以及二者的相容性等因素。碳纤维结构和力学性能上的各向异性,导致其制成的单向编织布同样具有各向异性。

车用碳纤维复合质料通常是由若干层单层编织布组成的,因此可通过铺层设计来满足差别的结构与性能需求。2.2.1单层质料设计——一次结构将碳纤维丝束根据统一偏向排布,获得碳纤维单层板。碳纤维可在此时浸润树脂,也可以不浸润,视加工工艺而定。

单层板是碳纤维复合质料制品的一次结构,其力学性能受纤维和树脂基体种类、纤维的填充比例和漫衍及界面相容性等因素影响。2.2.2铺层设计——二次结构对于汽车车身或其他部件,差别位置力学强度要求差别,一些部位需要做增强处置惩罚,而一些部位对强度要求不高则应做减重处置惩罚。车用碳纤维复合质料是由若干层单层质料根据一定的铺层顺序组成的层合体,可通过铺层设计实现力学性能强弱的变化。

通过铺层设计获得的层合体是碳纤维复合。


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