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碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

2019-8-24 13:36 146 0
简介
【汽车轻量化在线】凭借丰富的材料开发经验,Bertrandt和SGL基于碳纤维和玻璃纤维增强复合材料技术,推出了全新的汽车内饰概念Carbon Carrier。在整个汽车内饰结构中充分展示了碳纤维材料的应用潜力,如图1所示的仪 ...


【汽车轻量化在线】凭借丰富的材料开发经验,Bertrandt和SGL基于碳纤维和玻璃纤维增强复合材料技术,推出了全新的汽车内饰概念Carbon Carrier。在整个汽车内饰结构中充分展示了碳纤维材料的应用潜力,如图1所示的仪表板组件。

在汽车制造中,以高强钢和超高强钢为代表的钢材应用较多,同时在轻量化的要求下,铝合金镁合金等轻质合金的应用也逐步增多。相对于这些金属板材、型材和铸件来说,复合材的应用相对较少。但是跑车例外,碳纤维等增强的复合材料在跑车上的应用较多。

而在航空工业中,铝、镁、钛合金,碳纤维增强复合材料(CFRP)等应用较为普遍。Bertrandt具有专业的技术团队和广泛的产品开发经验。在使用CFRP材料时,部件的性能和成本将很大程度上取决于所使用的工艺和材料。例如,采用热固性还是热塑性塑料;增强纤维的长度、方向、体积比例、以及层数和半成品的类型等。为了扩大其在汽车结构领域产品的开发实力,Bertrandt与SGL Carbon于2016年建立合作项目,充分发挥前者在汽车部件上的开发经验和后者的材料技术能力,共同开发基于CFRP的汽车部件。该项目基于Bertrandt汽车内饰件,建立了CAD模型,可对传统燃油车和纯电动车系统的应力载荷路径进行分析,具体如图2。

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

轻量化仪表板

仪表板是汽车结构中较为重要的一个部件,其一般通过螺栓连接至车身结构中。该项目开发了一款适合敞篷跑车的轻质仪表板结构。框架采用碳纤维增强复合材料制成,同时集成中控台的功能,具体材料应用如图3所示。

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

设计与开发

在项目的初始阶段,要针对跑车的功能性和装饰性要求进行设计。如采用暴露的碳纤维部件提升装饰美观性,通过功能性集成改善结构。设计草图如图4和图5,开放的空间设计通风性好,锐利的线条和细致的细节设计凸显了运动型电动车的感觉。

在各部件的结构和功能设计时,复合材料的参数设计成为一大挑战。如纤维与树脂的配比;纤维的长度、取向、铺层结构等都将影响部件的最终性能。同时还要考虑各部件件的连接、生产及装配条件。其中,材料的层压结构设计较为重要,其对部件的振动、碰撞载荷的传递路径等都有重要的影响。Bertrandt采用CATIA V5的复合材料零件设计模块(CPD)进行层压结构的设计。

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

新结构开发过程(图6)需要模拟、设计和生产团队之间的密切合作。Bertrandt开发的一个界面,可以将CPD数据直接传输到FE模型,节省了大量宝贵的时间。

在动态模拟工具中,纤维复合材料比传统材料具有更复杂,需要更多参数的定义。这些材料参数在很大程度上取决于工艺类型和使用的材料类型,因此不能轻易地将某一材料制造商或半成品提供的参数应用到另一个材料中。出于这个原因,SGL将现有的材料卡用于模拟过程,还使用预设样本进行测试以识别材料参数。

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

生产制造

在整个部件的开发过程中,工程师们都专注于确保材料、技术和装配条件适合于批量生产。图7和图8分别展示了开发过程中协调的工艺、连接等技术。

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

结论

碳纤维复合材料汽车仪表板横梁(CCB)的研究与开发

通过Bertrandt与SGL的密切合作,该项目开发了具有批量生产潜力的高轻质仪表板结构。开发过程中充分展示了纤维增强复合材料在汽车部件应用过程中带来的优势以及面临的材料、结构设计等挑战。同时展示了CAD、CAE模拟在产品设计、生产等相关的过程中的应用实践。新开发的仪表板部件具有优异的结构性能和较高的美观性。

碳纤维增强复合材料的集成化设计和应用给汽车制造商带来了新思路,形成了全新的车辆设计概念,如图9所示。Bertrandt和SGL的合作开发也积累了碳纤维增强复合材料应用的丰富经验,为更多更复杂部件的开发提供支撑。

作者:Michael Hage, Benjamin Wagner, Frank Preller

汽车轻量化产业链翻译整理

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