碳纤维泡沫三明治夹层复合材料汽车扰流板的轻量化设计

2020-6-17 10:56 540 0 来自: 汽车材料网
简介
【汽车轻量化在线】目前,汽车制造中用到的复合材料多为纤维增强或机织物及非织造布增强的树脂基复合材料。车辆在行驶过程中会遭受外部振动,从而导致内部零件受损,因此,运输车辆一般需要具有较好的减震性。目前, ...
汽车轻量化在线】目前,汽车制造中用到的复合材料多为纤维增强或机织物及非织造布增强的树脂基复合材料。车辆在行驶过程中会遭受外部振动,从而导致内部零件受损,因此,运输车辆一般需要具有较好的减震性。目前,在运输类车辆中,基于纤维增强复合材料、泡沫夹芯材料的高强、高弹性、耐热性的复合材料箱体已有应用。
汽车扰流板一般是为了增加高速行驶车辆轮胎的抓地力,以提高燃油效率。但是,扰流板会在车辆行驶带来的高速气流影响下产生振动,形成噪音。因此,汽车后扰流板需要重量轻,并且具有较好的减震性能。
泡沫芯夹心复合材料一般芯层采用聚合物泡沫被,两面表皮采用异质材料,如碳纤维增强塑料(CFRP)、玻璃纤维增强塑料(GFRP),通过粘接实现复合。夹心层复合材料具有比重轻、减震性好的特点。
 
        因此,为满足汽车后扰流板重量轻和减震性能的要求,采用聚甲基丙烯酰亚胺(PMI)泡沫为芯材、碳纤维增强复合材料为表皮,设计开发了一款夹心层复合材料扰流板,该材料称为碳纤维增强三明治复合材料(CFRP sandwich composite)。新扰流板的重量比原型ABS/PC材料扰流板要轻,同时研究团队还研究了碳纤维层压复合材料的结构设计。
 
扰流板的逆向设计
 
        本研究中选择并使用了RSW(扰流器逆向工程,Spoiler Reverse Engineering)的一款赛车的ABS/PC后扰流板(如图1)。使用SmartSCAN R5工具(AICON 3D Systems GmbH)对选定的扰流板进行了扫描,并创建三维(3D)CAD数据模型(图2)。

汽车碳纤维
 
材料特性
 
        扰流板选用的材料为碳纤维编织物预浸料、ABS/PC合金、PMI泡沫。机织型碳纤维预浸料具有各向异性,而ABS/PC和PMI泡沫具有各向同性。具体材料属性见表1和表2。
 
汽车碳纤维
 
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扰流板的碳纤维铺层方案设计
 
        使用3D几何模型和上表中扰流板材料的属性,对扰流板的重量进行计算。对于ABS/PC合金扰流板,其结构模型如图3(a)所示,一半扰流板的重量为1,443g。CFRP三明治扰流板(PMI-FCCSC)的结构如图3(b)所示,通过对比分析,最终确定采用3层碳纤维织物预浸料。计算出一半扰流板中CFRP的重量为318g,泡沫芯层的重量为496g。由此可得,一半PMI-FCCSC扰流板的重量为814g,ABS/PC扰流板轻43.6%。详细数据见表3。
 
汽车碳纤维
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有限元分析模型
 
        在如图4所示的扰流板有限元分析模型中,表皮层为shell单元,内部PMI泡沫为Solid单元,CFRP层外表面的法线方向为Z轴,扰流板支架的所有外径均被限制。在扰流板顶部的法向方向施加2.0e-3MPa的压力,以使ABS/PC扰流板的安全系数可以为1。
 
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结构分析
 
        使用ANSYS Workbench对扰流板的结构进行分析。关于变形,如图5(a)所示,在ABS/PC扰流板的末端观察到最大变形为10.4mm,仅用CFRP制造的扰流板观察到最大变形为14.4mm,最大变形增加了38%。但是,PMI-FCCSC扰流板的最大变形为0.9毫米,与ABS/PC扰流板相比降低了91%。如果仅针对Z轴方向考虑,如图5(b)所示,会出现扰流板的端部下降而其中心稍微上升的现象。出于该现象,观察到最大变形ABS/PC扰流板为2.1毫米,CFRP扰流板为0.7毫米,PMI-FCCSC扰流板为0.2毫米。
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安全性评估与讨论
 
        碳纤维复合材料是各向异性的材料,故ABS/PC等各向同性材料的等效应力破坏理论不适用。通常,各向同性材料的破坏理论分为最大应力理论和最大应变理论,这是极限准则方法。本研究中,采用广泛使用的最大应力理论来进行失效评估。
 
        从图6(a)中可以看出,PMI-FCCSC扰流板在x轴方向上的拉应力为27.8MPa,而压应力为-44.4MPa,约为拉应力的1.6倍,在扰流板支撑边界的CFRP中观察到。在PMI泡沫中,观察到等于或低于0.2MPa的应力,从而确认应力主要集中在CFRP上。如图6(b)所示,PMIFCCSC扰流板在y轴方向的法向应力表现出与x轴相似的趋势。相反,对于XY平面切应力、拉应力和压应力表现出相似的水平。CFRP扰流板的应力至少是PMI-FCCSC扰流板应力的四倍。以此方式计算的应力与材料的应力极限进行比较,以计算安全系数,具体如表4所示。
 
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        仅具有CFRP的扰流板的y轴压缩应力和XY平面剪切应力与材料的应力极限相比,显示出低于1.0的安全系数,表明发生了失效。相反,在PMI-FCCSC扰流板中,在XY平面剪切应力中出现的最小安全系数为7.81。这表明PMI-FCCSC扰流板不会失效,因为安全系数高于1.0,即使它最容易受到剪应力的影响。相关研究结果表明,商业产品通常需要3或更高的安全系数。因此,本研究中设计的PMI-FCCSC扰流板比ABS/PC扰流板轻43.6%,安全系数是其7.81倍。
 
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结论
 
        为了满足汽车后扰流板的轻量化和减震性要求,本研究将聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料和CFRP夹芯复合材料应用于扰流板,设计一种结构安全的PMI泡沫芯CFRP夹芯复合材料扰流板。其重量要比传统的ABS/PC扰流板轻得多,使用逆向工程和有限元分析得出了碳纤维层压的设计方案。当使用五片碳纤维编织物预浸料时,PMI-FCCSC扰流板比ABS/PC阻流板轻28.9%,当使用四层碳纤维编织物预浸料时,轻36.2%,而当使用三层碳纤维预浸料时,轻43.6%。此外,比较了使用三片碳纤维编织物预浸料的CFRP扰流板与PMI-FCCSC扰流板的安全性,结果CFRP扰流板发生失效,PMI-FCCSC扰流板的安全系数为7.81,而ABS/PC扰流板的安全系数为1。综上,本文设计的PMI-FCCSC扰流板比ABS/PC扰流板轻43.6%,且安系数是其7.81倍。未来,研究人员还将对CFRP扰流板和PMI-FCCSC扰流板的振动特性进行测试。

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