汽車輕量化的發(fā)展與應(yīng)用

輕量化是在不影響整個車輛的質(zhì)量和性能的前提下，為了確保車輛產(chǎn)品的整體質(zhì)量，盡可能減少車輛產(chǎn)品的自身質(zhì)量，實現(xiàn)高輸出、低噪聲、低振動、良好的操縱和高可靠性等目標(biāo)。目前實現(xiàn)汽車輕量化主要有兩條途徑:一是采用輕量化材料,如高強度鋼材、鋁合金以及其他強度更高、質(zhì)量更輕的新材料;二是利用CAE技術(shù)優(yōu)化汽車零部件的結(jié)構(gòu),使之薄壁化、中空化、小型化和復(fù)合化等,從而最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。當(dāng)然,汽車輕量化必須在保證汽車整體性能(安全、耐撞、舒適、抗振等)的前提下進行。隨著國內(nèi)正面碰撞和側(cè)面碰撞法規(guī)的相繼出臺以及公眾對汽車安全性認識的逐步加深,汽車結(jié)構(gòu)的耐撞性和安全性已經(jīng)成為汽車輕量化設(shè)計的首要考慮因素。復(fù)合材料作為汽車工業(yè)的主要原材料之一,其優(yōu)勢在于優(yōu)秀的材料特性、良好的經(jīng)濟性和大量供應(yīng)的可能性,特別是熱塑性復(fù)合材料具有可回收再利用的特點。纖維增強熱塑性復(fù)合材料具有密度小、設(shè)計靈活、易設(shè)計成整體結(jié)構(gòu)、耐腐蝕、耐熱/隔電、耐沖擊、抗振等優(yōu)點,在汽車上的應(yīng)用范圍越來越廣泛,“以塑代鋼”正在成為推動汽車向輕量化發(fā)展的主要手段。下面主要介紹纖維增強熱塑性復(fù)合材料在前端模塊上的應(yīng)用情況。1tf/lft復(fù)合材料汽車部件汽車上應(yīng)用最廣泛的熱塑性復(fù)合材料是SMC(SheetMoldingCompound)、LFT(LongFiberreinforcedThermoplastics)和GMT(GlassMatreinforcedThermoplastics),熱塑性復(fù)合材料的汽車部件目前已在梅德賽斯-奔馳、寶馬、大眾、標(biāo)致-雪鐵龍、沃爾沃、菲亞特、蓮花和曼恩等歐洲汽車廠生產(chǎn)的轎車、客車和載貨車等各種車型中獲得大量應(yīng)用。有數(shù)據(jù)表明,80%以上的GMT和LFT產(chǎn)品用于汽車部件制造,如梅德賽斯-奔馳轎車的S系列后保險杠支架(GMT/LFT)等,BMW系列后保險杠支架(GMT/LFT)等,標(biāo)致607備胎箱(LFT)和標(biāo)致405保險杠支架(LFT),雪鐵龍系列BerlngoXantian前端支架(LFT)、AX尾部底板總成(GMT)等,上海通用別克凱悅、君悅后靠背骨架總成(GMT),上海大眾帕薩特B5底部防護板(GMT)等。另外,下面一些新型的汽車熱塑性復(fù)合材料也值得關(guān)注。(1)復(fù)合材料基復(fù)合材料TwintexR復(fù)合纖維是一種由玻璃纖維和熱塑性塑料纖維復(fù)合而成的干態(tài)預(yù)浸料,適于注射成型保險杠、后車門、內(nèi)飾件和儀表板等零部件,兼具很高的沖擊強度和拉伸強度。(2)聚丙烯材料的組成SR-PP是一種由高定向性的聚丙烯纖維和各向同性的聚丙烯基材組成的100%聚丙烯片材。SR-PP是國外繼GMT和LFT之后最新開發(fā)并應(yīng)用的一種熱塑性復(fù)合材料,目前主要用于車底護板的生產(chǎn)。(3)模塊載體材料LGFPP是倍受關(guān)注的新品種之一,是LFT的一種。該材料作為汽車模塊載體材料,不僅能有效地提高制品的剛性、抗沖擊強度、抗蠕變性能和尺寸穩(wěn)定性,而且可以做出復(fù)雜的汽車模塊制品。如采用該材料的全世界首創(chuàng)無金屬支架全塑整體前端組件,為寶馬MiniCooper車配套。2為熱材料前模塊開發(fā)2.1建設(shè)過程熱塑性復(fù)合材料前端模塊的開發(fā)流程為:材料配方設(shè)計→產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計→模擬測試→模具設(shè)計制作→工藝試驗→樣品試制→批量化產(chǎn)品。2.2前端模塊化設(shè)計擬采用長纖維增強聚丙烯復(fù)合材料(LFT材料的一種)。該種復(fù)合材料質(zhì)量輕、韌性好、工藝性能好,可成型形狀較復(fù)雜的部件,目前廣泛用于多種車型(如PASSAT領(lǐng)馭、奧迪A6L等)的前端框架的制作,在現(xiàn)行中/高級轎車中,采用LFT前端框架的車型遠超過半數(shù)。依據(jù)原普通鋼板拼焊而成的前端模塊進行設(shè)計,以前端模塊的厚度限制和車燈、空調(diào)、保險杠、水箱、縱梁等安裝定位孔位限制為約束條件,參考其他車型上的成熟應(yīng)用案例,結(jié)合鋼制件的強度要求,進行熱塑性復(fù)合材料前端模塊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的調(diào)整和設(shè)計。主要技術(shù)性能要求如下。a.以水箱掛點為受力點,在前端模塊正上面加載集中力250N(5g重力加速度),復(fù)合材料前端模塊的最大位移不大于3mm。b.以水箱掛點為受力點,在前端模塊正上面加載集中力250N(1g重力加速度),復(fù)合材料前端模塊的最大位移不大于1mm。2.4分析由于前端模塊產(chǎn)品基本為左、右對稱結(jié)構(gòu),因此以產(chǎn)品的一半為計算模型。2.4.1材料的性能參數(shù)擬采用的LFT材料的性能參數(shù)見表1。2.4.2計算前模塊壓力的限制因素以左/右支架4個連接孔和上支架兩端為鉸支,對模型進行有限元劃分。2.4.3前端模塊應(yīng)力、位移變化本次分析只對部件進行靜態(tài)受力分析,對于碰撞受力暫不作分析。受力情況包括對部件施加的作用力的位置、大小及方式等。復(fù)合材料前端模塊受力情況與原鋼鐵前端模塊一致,根據(jù)產(chǎn)品實際工作中受力情況,本次分析設(shè)定以下兩種受力情況。a.前端模塊受集中力250N、5g加速度的作用(見圖1)。b.前端模塊受集中力250N、1g加速度的作用(見圖2)。集中力是相對于均布力而言的,如安裝、撞擊等情況下產(chǎn)生的力均視為集中力,而風(fēng)阻等則視為均布力。2.4.4前端模塊的應(yīng)力、位移計算結(jié)果(1)在前端模塊的正上面加載集中力250N、1g重力加速度,前端模塊的應(yīng)力、位移計算云圖見圖3和圖4。由圖3和圖4可見,前端模塊在單獨受到集中力250N、1g加速度的作用時,最大應(yīng)力為1.31MPa、最大變形為0.21mm,最大應(yīng)力和最大變形均出現(xiàn)在上支架中間部位后邊緣處,最大應(yīng)力1.31MPa遠遠小于LFT材料的測試強度值90MPa,材料本身滿足要求;最大變形0.21mm小于允許變形量1mm,因此也滿足產(chǎn)品性能要求。(2)在前端模塊的正上面加載250N、5g重力加速度,前端模塊的應(yīng)力、應(yīng)變計算云圖見圖5和圖6。由圖5和圖6可見,前端模塊在受集中力250N、5g加速度的作用時,最大應(yīng)力為33MPa、最大變形為2mm,最大應(yīng)力和最大變形均出現(xiàn)在上支架中間部位后邊緣處,最大應(yīng)力33MPa小于LFT材料的測試強度值90MPa,材料本身滿足要求;前端模塊最大變形2mm小于允許變形量3mm,因此也滿足產(chǎn)品性能要求。(3)在原鋼板前端模塊的正上面加載250N、5g重力加速度作用下,應(yīng)力、應(yīng)變計算云圖見圖7和圖8。鋼板的性能參數(shù)如下:a.彎曲模量為205GPa。b.彎曲強度為270MPa。c.剪切模量為80GPa。d.泊松比為0.29。e.密度為7.85g/cm3。由圖7和圖8知道,鋼制前端模塊在5g加速度作用下受250N的集中力作用時,最大應(yīng)力為109.1MPa,出現(xiàn)在左/右支架中間部位,小于彎曲強度270MPa;最大變形為1.27mm,出現(xiàn)在上支架中間部位后邊緣處,小于允許變形量3mm。對比復(fù)合材料前端模塊和鋼制前端模塊在5g加速度下受250N的集中力作用時的應(yīng)力、應(yīng)變情況(最大應(yīng)力均小于材料的彎曲強度,最大應(yīng)變不大于技術(shù)要求的數(shù)值3mm),都符合設(shè)計要求。2.5模具的預(yù)壓包工藝采用LFT熱壓工藝。該工藝的成型過程是:將原材料板材按所需質(zhì)量稱量好,置于加熱設(shè)備中預(yù)熱;達到預(yù)期溫度后,迅速移至模具中,按預(yù)先設(shè)計的形狀和區(qū)域輔放好,快速合模加壓;待溫度降低、定型后取出,形成產(chǎn)品毛坯;再經(jīng)過簡單的去邊等后期處理,形成最終產(chǎn)品。本工藝的優(yōu)點是:原理簡單,制造成本較低;成型快;可重復(fù)壓制,成品率高。2.6模具鋼材的加工復(fù)合材料前端模塊采用金屬模具制造。根據(jù)工藝設(shè)計要求,模腔壓力需達到15MPa以上,因此必需采用性能較好的專用模具鋼材,通過CNC數(shù)控