復(fù)合材料與傳統(tǒng)鋼材的較量似乎從未停止，同時(shí)占據(jù)輕質(zhì)和剛度的復(fù)合材料，會(huì)不會(huì)成功取代鋼材？這個(gè)結(jié)果還待計(jì)算機(jī)模擬和具體使用進(jìn)行實(shí)際驗(yàn)證。

    多年來(lái)，汽車制造商們對(duì)具有鋼強(qiáng)度但輕質(zhì)的汽車渴望已久，因?yàn)楸恐氐能嚿硪馕吨^低的燃料效率。新型復(fù)合材料可能就是解決方案，但在投入市場(chǎng)之前，還需要經(jīng)過多年的測(cè)試。

    印第安納州普渡大學(xué)的工程師們說他們可以將測(cè)試所需時(shí)間減半。利用最前沿的計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)，普渡的工程師們對(duì)可用于替代金屬相應(yīng)部件的輕質(zhì)碳纖維復(fù)合材料汽車配件，進(jìn)行性能測(cè)試。他們甚至可以模擬這些部件在發(fā)生車禍時(shí)的性能變化。

    普渡大學(xué)是先進(jìn)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究會(huì)的五個(gè)成員之一，這個(gè)研究會(huì)是聯(lián)邦花費(fèi)2.5億建立的研究組織，旨在提高美國(guó)在先進(jìn)科技中的競(jìng)爭(zhēng)力。在其他大學(xué)致力于開發(fā)材料和產(chǎn)品的同時(shí)，普渡則專注于設(shè)計(jì)和模擬。

    通過節(jié)約公司大量的原型構(gòu)筑和測(cè)試時(shí)間，模擬過程能夠更快地將新型設(shè)計(jì)投入生產(chǎn)制造。對(duì)于汽車制造商來(lái)說，安全是首要考慮因素，而新材料的測(cè)試是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，并且是一筆很大的開支。模擬能夠取代大多數(shù)的測(cè)試，并且節(jié)約一半的花銷和測(cè)試用時(shí)。

    由Byron Pipes教授帶領(lǐng)的工程師和研究生們利用復(fù)合材料的相關(guān)數(shù)據(jù)建立模型，從而揭示它們的用途、使用方向以及制造工藝。他們的任務(wù)是將對(duì)美國(guó)汽車工業(yè)的好想法盡可能地付諸實(shí)踐，這些研究與開發(fā)每年的花費(fèi)可達(dá)180億。

    福特的目標(biāo)研究方向

    普度的研究具有一個(gè)決定性的優(yōu)勢(shì)。Pipes說，他們與福特和大眾有大學(xué)項(xiàng)目合作，并且正在與本田和豐田商討簽署其他項(xiàng)目協(xié)議。一起共事的有5名全職工程師，少量教職人員以及30名研究生。

    在五年計(jì)劃的18個(gè)月里，普渡的研究者們和同樣在研究所工作的公司代表們進(jìn)行定期的交流，然后構(gòu)建了彌補(bǔ)設(shè)計(jì)問題的計(jì)算模型。

    在校園實(shí)驗(yàn)室里，他們小批量地進(jìn)行產(chǎn)品的制作和測(cè)試。如果制造商們需要一個(gè)復(fù)合材料制作的零部件，Pipes說：“我們可以為你單獨(dú)設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)制造工藝，然后在實(shí)驗(yàn)室中測(cè)試它是否滿足你的性能需求，然后你可以在幾天之內(nèi)將它實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。”

    更輕、更復(fù)雜

    輕質(zhì)復(fù)合材料達(dá)到和鋼一樣的優(yōu)異性能完全取決于材料怎么設(shè)計(jì)。

    復(fù)合材料由柔韌的高分子材料和剛硬的碳纖維組成。碳纖維水平豎直地和高分子材料交織在一起，然后層疊形成材料。其中一些層由水平帶組成，另外一些則由豎直帶構(gòu)成。由于纖維本身的性質(zhì)與方向有關(guān)，通過模擬，工程師們可以測(cè)試材料不同的排列方式對(duì)應(yīng)的性能變化，以及用在汽車的什么部位效果最好。

    普渡同樣也為那些剛踏入美國(guó)市場(chǎng)的燃料汽車設(shè)計(jì)油箱模型。這類汽車采用氫氣代替汽油為燃料來(lái)驅(qū)動(dòng)，且產(chǎn)生的廢物僅是水。但是在技術(shù)上，依舊存在嚴(yán)重的問題，其中一個(gè)就是燃料的存儲(chǔ)。

    在保持輕質(zhì)的前提下，碳纖維復(fù)合材料可以增強(qiáng)油箱的強(qiáng)度，但是生產(chǎn)它們能耗較大。普渡正在測(cè)試?yán)幂^為廉價(jià)的高分子和先進(jìn)的熱處理技術(shù)來(lái)提高生產(chǎn)效率和降低成本。

    新一代風(fēng)車測(cè)試

    普渡的研究并不僅僅局限于汽車行業(yè)。工程師們同樣也在提高風(fēng)能的利用率上貢獻(xiàn)才智，預(yù)計(jì)到2030年風(fēng)能將在美國(guó)提供20%的電力供給。

    風(fēng)車的渦輪葉片越長(zhǎng)，它能捕獲的風(fēng)就越多，產(chǎn)生的能量就越多。因此制造的葉片越來(lái)越長(zhǎng)，而為了減輕葉片重量，通常會(huì)加大玻璃纖維含量。目前一些葉片可以長(zhǎng)達(dá)75到100英尺。然而，長(zhǎng)度的增加會(huì)導(dǎo)致葉片向后彎曲，從而降低效率，并且增大工作時(shí)撞擊到塔架的風(fēng)險(xiǎn)。普渡正在做的一項(xiàng)模擬就是利用碳纖維來(lái)替代部分葉片中的玻璃纖維，因?yàn)樘祭w維質(zhì)地比較硬，所以能夠減小葉片彎曲的程度。

    普渡大學(xué)材料化學(xué)學(xué)院復(fù)合材料加工專家Jan-Anders E. M?nson說：“玻璃纖維成本低，但較重并且機(jī)械性能也遠(yuǎn)不如碳纖維。因而我們?cè)趯で笠环N較好的權(quán)衡方式”。

    研究者們同樣也在建模設(shè)計(jì)具有創(chuàng)意的循環(huán)方式，當(dāng)葉片達(dá)到使用周期后，對(duì)它們進(jìn)行回收，然后利用包含的熱塑性塑料制成甲板、公園長(zhǎng)凳或者減震器。

    普渡的工作對(duì)于能量效率來(lái)說是至關(guān)重要的，但同樣也為未來(lái)信息化驅(qū)動(dòng)的工廠指明了發(fā)展方向。在這種工廠里，零部件在集裝之前，一般都要經(jīng)過嚴(yán)格的測(cè)試。

    Pipes說：“虛擬工廠是現(xiàn)在我們討論的一個(gè)目標(biāo)，意思是我們可以通過物理和科學(xué)來(lái)指導(dǎo)模擬，不用實(shí)際去做，就可以生產(chǎn)零件。”