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復合材料在汽車安全防撞部件的應用——凌云工業股份有限公司 陳梓山

   日期:2019-08-14     來源:汽車材料網    評論:0       [ 進入汽車材料社區 ] [ 汽車材料館 ]
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核心提示:由中國汽車材料網主辦的“2019(第四屆)新能源汽車輕量化技術研討會”于7月25—26日在南京圓滿召開,現場邀請凌云工業股份有限公司 陳梓山 針對復合材料在汽車安全防撞部件的應用做報告分享。
   【中國汽車材料網】由中國汽車材料網主辦的“2019(第四屆)新能源汽車輕量化技術研討會”于7月25—26日在南京圓滿召開,現場邀請凌云工業股份有限公司 陳梓山 針對復合材料在汽車安全防撞部件的應用做報告分享。(以下文章為小編現場速記內容整理,未經本人審核)
  
  演講人:凌云工業股份有限公司 陳梓山
  
  演講主題:復合材料在汽車安全防撞部件的應用
  微信截圖_20190814132837
  大家好,今天在這里跟大家分享復合材料在汽車安全防撞部件的應用。凌云工業主要做安全結構件產品,在目前汽車輕量化這個大背景下,復合材料的應用也是市場下的趨勢,復合材料在汽車安全結構件上應用,可能還存在些問題。
  
  首先來了解汽車輕量化材料的概況,在汽車法律法規政策的壓力下,輕量化已經成為一個不可避免的趨勢,在汽車輕量化材料方面,目前主要還是以高強鋼為主,其次是鋁合金。此外非金屬復材在汽車上也一直有應用,但主要以內外件為主,在結構件和半結構件上的應用相對較少。隨著近年來材料工藝方面的發展和提高,非金屬材料的性能,以及基本工藝越來越成熟,在汽車上面的應用,也開始出現發展,所以未來部分結構件的以塑代鋼的應用,我覺得會有很大的征戰。
  
  通過對比幾個材料的減重效果,發現鋁合金代替高強鋼以后,它的效果可以達到減重40%左右,而目前一直應用比較多的長纖維復合材料在鋁合金減重的基礎上又減重20%左右,可以說這樣的輕量化效果是非常有誘惑力。其實之前復合材料在做結構件時應用較多的是在航空航天上,我本人之前也一直是在航空行業,在2000年之前無論是波音還是空客,它們在復合材料的應用上都很少,基本上最高也不超過20%。2000年以后,航空公司對于飛機燃油的經濟性以及乘坐的舒適性都提出了更高的要求,波音和空客都在機身方面做了很大的投入。到2005年,對復合材料應用的已經出現了明顯的增長趨勢,2010年左右,像波音787以及波音A350,它們對復合材料的應用已經超過50%,我們從這個材料的性能以及它的原理來看,復合材料完全可以滿足我們所期盼的需求,但是為什么它在汽車上的應用發展會如此緩慢?
  
  我們通過實驗研究得出,玻纖的長度越長,材料力學性能以及產品沖擊韌性越好。無論是從強度還是沖擊都有很明顯提升,對于連續纖維,它的比強度和比模量都比較好,所以在做汽車安全結構件時,我覺得還是應該采用連續纖維較好。
  
  目前連續纖維復合材料可能應用在活動桿,座椅背板,還有AB柱等。就復合材料來說,特別是纖維,這個制造工藝基本都是從韓國傳過來的,復合材料制造工藝包含:手糊、預浸料、纏繞、拉擠和LCM(復合材料液體模塑工藝)。手糊在汽車行業主要做樣件;纏繞、拉擠主要做形狀相對規整的結構件,目前預浸料市場的前景相對比較好,主要以模壓為主。
  
  連續纖維做起來的話,確實好處很多,它的強度很高本身也比較輕,它最大的缺點就是成型比較困難,例如在做一些簡單的結構件時是完全沒問題的,但是在做一些比較復雜的零部件時,就沒那么簡單,在使用連續纖維時就會出現很多問題。我們公司目前研究出,通過模壓加上預浸料的方式,它能夠很好的成型,另外我們使用連續纖維和烘箱,然后把兩個放在一起進一步的模壓成形,它的強度已經能夠達到一定的要求,也能保證成型出我們想要的結構。
  
  其次就是,注塑+連續纖維預浸料的行為,這個部分采用是也存在一系列我們需要考慮的問題。目前最大的問題就是模具的難度比較大,應用也不是很廣泛。
  
  我們做了一個連續纖維局部增強電池包上殼體的案例分析,對于這種形狀無法改變的,全部采用連續纖維的情況下是很難做到的,工序會很長。但是我們所采用的方案是對前面模塊較低的地方采用連續纖維增強,我們同時也能看到很清楚的紋路,在減輕產品的重量的同時,又能保證這個產品的一個性能指標要求。
  
  復合材料與金屬材料不同,在這個設計方面,有很大的區別。因為我們是做產品的,可能會就材料本身來說它的性能比較好,但是在制作期間所產生的時間、成本和效率,對于一些量產車來說,很難承受。我們在設計時就需要一部分使用普通性能材料,一部分采用連續纖維進行局部的補強,我們在成型上可以解決一些問題。但是從設計方面我們還有可能會遇其他問題。由于復合材料它的各項材料性能在很多地方過于自信,使我們在設計時就出現很多問題,不同的產品也會出現不同的問題。
  
  我們公司在做副車架橫梁復材替代鋼設計時遇到了一個問題,這個材料在開始時橫梁是鋼制的,后來我們進行了鋁制的開發替換,效果都很好。為了做到進一步的減重效果,我們就做了一個復材開發替代,第一步在做選材分析和材料性能測試時都是沒問題,按照方案,一部分采用連續纖維,一部分采用碳纖維隔熱增強,我們發現,復材隔熱件完全可以滿足要求,但是放到整個系統時,它會導致很多地方出現應力集中的現象。之后我們針對每個部件進行拆解,發現在追求這個材料性能時,并沒有考慮到整體,所以說復合材料的模量和強度比連接的零件高出很多,導致一些連接部位,以及一些拐角地方出現應力集中的現象。我們也對此提出了解決方案,比如降低局部強度,或者在連接地方加固補強,使用膠等。
  
  所以說在材料應用時,可能會發現,我們把材料設計的很完美,但實際時又會出現很多問題,復合材料結構件畢竟與鋼鋁結構件不同,我們所積累的經驗較少,應用的時間也不夠長,而且之前在航空航天的應用化程度并沒有傳導更多的數據,所以說復合材料的應用之路還是任重而道遠。
  
  在復合材料設計時我們也涉及到失效準則,復合材料的失效準則包括:Hill型準則、最大應力-應變準則、Tsai-Wu準則、張量多項式準則、Labossiere-Neale參數型。我們在實際操作時會出現與原理的差距很大的現象。連續纖維和非連續纖維的斷裂也是不一樣的,連續纖維在斷裂時會出現緞紋撕裂,它的準則更好判斷,但是非連續纖維,要從裂紋的偏轉等重新考慮。當兩種材料進行混用時,我們在計算時會出現很大的問題。
  
  汽車輕量化是目前不可避免的趨勢,凌云未來希望能夠通過合作再這方面有更大的進展,未來不僅僅在單一材料方面,還會在多材料混用上,成為以后發展的趨勢。
 
連接技術 新能源
 
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