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美国最新碳纤维增强热塑性复合材料B柱研究进展
发布时间:2016-12-30   浏览次数:120

最近,位于美国德克萨斯州的美国特拉华大学-美国复合材料中心(UD-CCM)联合美国国家制造学中心(NCMS)、美国国际公路运输安全管理局(NHTSA)和宝马(BMW)汽车公司共同研发了用于汽车侧边框结构的碳纤维增强热塑性复合材料。

 
该项目研发的B柱,在设计上满足车辆的结构和碰撞安全性要求(如FMVSS 214侧面碰撞试验),采用热塑性复合材料生产制造,与相对应的热固性部件相比具有诸多性能优势(如可回收、方便连接、延伸率超过60%、韧性优异、吸能性好等),且具有提高碰撞性能的潜力。该项目创新性地提出了能使碰撞性能最大化的侧面冲击碰撞概念,同时对市面上常见的热塑性复合材料进行了相关性能表征,并建立了恰当的材料模型,同时对碰撞过程的能量吸收机理进行了评价。
 
该项目B柱采用注塑成型工艺将裁剪好的碳纤维织物进行压制成型,为了得到理想的吸能性能、刚度和强度,该项目对工艺过程进行了改良。
 
UD-CCM表示,工程化预研工作深入各个层级,从试样到组件再到全尺寸,一路指导着材料的选择。 同时,CAE软件工具还可以对大到整车、小到零部件进行模拟,对安装过程进行测试,同时对可加工性和结构碰撞性能进行优化。组件和B柱采用冲压和灌注成型工艺生产,具有一定的可扩展性,以适应汽车工业的生产效率。UD-CCM采用大型落塔来验证模拟过程和真实环境中复合材料B柱侧面冲击碰撞性能的可靠性。
 
为了强化B柱的吸能特性(韧性)、刚度和强度,同时保持部件的生产效率和车辆的完整性,BMW公司通过对整车碰撞进行模拟,证实了B柱的性能优势,及其对设计和完整性要求的满足。UD-CCM进行了材料选择与评价、复合材料设计、分析与碰撞模拟、工艺开发和制造(工具、部件制造、剪裁)、全尺寸装配和高能冲击测试等一系列研究。该项目成果证明连续碳纤维增强热塑性复合材料的设计、材料、工艺和连接技术,处于4-7级技术水平,满足汽车工业的生产需要和政府的安全性要求。
 
该项目取得的关键技术成果:
 
1、成功制造了热塑性复合材料B柱,在满足FMVSS 214侧面碰撞实验指标要求的前提下,比相应的金属部件减重60%。
 
2、采用最先进的CAE软件工具对整车及部件的冲击性能进行了模拟和评价。
 
3、开发了新的成型工艺,采用灌注和热压成型工艺对复合材料进行生产制造,成型周期2min。
 
4、开发了不同热塑性树脂基体和钢材界面的粘接技术。
 
5、开发了热塑性复合材料部件的自动化裁剪技术,并对复合材料结构性能进行了无损表征。
 
6、设计了新型测试夹具,并组装到UD-CCM的高能冲击塔上进行了侧面冲击碰撞模拟实验,避免了整车结构的破坏。
 
7、成功完成了多组分全尺寸组装B柱在FMVSS 214标准实验下的冲击测试。
 
8、复合材料B柱满足所有车辆部件装配的侵入性安全性要求。
 
9、所有的复合材料B柱都表现出了回弹和反弹过程的结构完整性,完全可以抵抗568.80kg的冲击外力。
 
10、将冲击测试的模拟结果与实验数据进行对比,对预测方法进行了验证。
 
11、研究结果证明连续碳纤维增强热塑性复合材料的韧性和吸能特性得到了提高。


来源:中国国际复材展组委会编译
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