【聚焦】輕量化汽車用碳纖維復合材料的集成計算工程材料開發
2021-02-26 13:01:44
作者：本網整理 來源：碳纖維及其復合材料技術
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碳纖維復合材料在國外應用已經近60年的歷史，碳纖維復合材料在航空航天、汽車工業、風電葉片等領域的應用極大促進了產業升級，而在應用研究中，碳纖維復合材料從設計到應用經歷了漫長的過程，國外在由大量經費資助了碳纖維復合材料研究項目。
本文主要介紹了美國福特公司聯合高校和相關軟件企業，針對汽車輕量化用碳纖維復合材料材料工程技術進行的開發研究。
該項目《輕量化汽車用碳纖維復合材料的集成計算材料工程開發》旨在為碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料開發集成計算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）技術，并在多學科優化方案中使用這些ICME工具來設計輕量化汽車用碳纖維密集型前副車架。
副車架作為汽車的結構部件，對振動、強度、耐用性和安全性能有嚴格的要求。CFRP復合材料的密度為1.55g/cm?，纖維方向的拉伸強度高達2,000 MPa，具有很高的強度重量比，是替代目前汽車結構件用金屬的最有希望的候選材料之一。
通過增加CFRP組件設計的可訪問性，減少CFRP組件從開發到部署的交付時間以及提高初始設計的耐用性，該項目可減輕輕量化汽車的重量，進而可以幫助減輕乘用車的溫室氣體排放，并具有改善國家能源獨立性的潛力。
復合材料模壓工藝示意圖
該項目為期四年，于2019年初完成，總預算為858萬美元，美國能源部資助經費為600萬美元，工業合作伙伴提供了剩余的258萬美元。福特汽車公司與西北大學陶氏化學公司主導項目實施，而馬里蘭大學和利弗莫爾軟件技術公司、ESTECO、HBM Prenscia以及Autodesk Inc.參與了項目。
該項目主要研究基于短切碳纖維、單向碳纖維和機織碳纖維三種不同增強體的環氧樹脂基復合材料，研究了短切SMC、UD和機織三種結構在模壓成型過程中的性能。結果顯示：CFRP的力學性能具有高度的方向依賴性，因為初始織物質量、材料布局、預制和成型工藝都決定了纖維的最終局部取向。
由于局部纖維取向顯著影響CFRP強化構件的性能和性能，因此實現最優構件設計需要能夠根據纖維結構、成型工藝和固化歷史預測構件微觀結構和性能的工具。還應充分考慮每個過程固有的不確定性，以及材料和制造過程的概率性質。
三種環氧樹脂CFRP復合材料（UD、機織和短切SMC）的數據都添加到國家標準與技術研究所（NIST）的公開材料特性數據庫中，700多個試件測試結果提供了輸入和驗證碳纖維增強塑料材料模型所需的數據。
基于模型設計加工的多材料副車架設計滿足關鍵工程要求，與基線沖壓鋼副車架相比，重量減輕了至少25％，每磅重量節省成本增加不到4.27美元。該項目的最后階段形成了一個初步的副車架設計，節省了30%重量，每磅節省的成本為4.01美元。
這種材料設計采用79 wt%（重量百分比）的鋼，配以16 wt%短切碳纖維SMC增強材料和5 wt%UD碳纖維復合材料補片，這種初始設計滿足臨界剛度、強度和耐久性目標以及關鍵安全指標。
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