复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰轻量化中的应用和拓扑优化

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SAE鄄C2009M170
2009 中国汽车工程学会年会论文集摇
复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰 轻量化中的应用和拓扑优化
李文晓(1) 摇 吴文平(1) 摇 范海涛(2) 摇 胡培(2)
1郾 同济大学航空航天与力学学院复合材料所 2郾 赢创德固赛( 中国) 投资有限公司上海分公司
摇 摇 揖摘要铱摇 伴随着日益提高的环境和经济性要求, 汽车外饰件的轻量化已逐渐成为汽车行业的核心问题之一。 因此复合 材料在汽车外饰的轻量化方面已经有了大量的应用实例。 而以 PMI 泡沫为芯材的复合材料夹层结构可以在保持结构性能的 同时, 显著地减轻结构的重量。 赢创德固赛和同济大学合作, 通过拓扑优化的方法, 设计制造了轻量化的泡沫夹层汽车引擎 盖和后背门部件, 减重效果十分明显。 这种多材料轻量化结构代表着汽车外饰的未来走向。
摇 翼子板支撑、 风窗 摇 碳纤维增强复合材料
玻璃窗框、 门板
艺。 整车重量降低了 70kg SMC
摇 HYCOPROD 制 冷 半
拖车
摇 整体
拖车
摇 玻璃纤维 / 泡沫夹层板
摇 减 重 1100kg。 原 型 机 已 成 功 使 用 VI
250000km 里程
2摇 多材料混合结构体系
摇 摇 复合材料在汽车外饰上的应用动力来自于汽车的轻量化 趋势。 摇 摇 汽车的轻量化包括材料的轻量化和结构的轻量化。 材料 的轻量化一般通过采用轻量化的金属和非金属材料实现, 主 要包括高强度钢材、 铝镁合金、 工程塑料以及各种复合材 料。 轻量化材料中, 虽然目前钢铁材料仍保持主导地位, 但 钢铁材料的比例逐年下降, 铝合金、 镁合金、 工程塑料、 复 合材料等材料比例逐年上升。 材料轻量化, 尤其是基于复合 材料的材料轻量化, 已经成为世界汽车材料技术发展的主要 方向。 摇 摇 自从 20 世纪 60 年代引入复合材料以来, 人们已证实它 们在汽车高性能以及减重应用中的优点。 复合材料具有比强 度、 比刚度高、 性能可设计和易于整体成形等许多优异特 性, 将其用于汽车结构上, 可通过比常规的金属结构低的重 量达到同等的性能。 这是其他材料无法或难以实现的。 所以 复合材料在汽车上的应用也越来越为人们所重视。 摇 摇 美国先进汽车技术能源事务部曾和美国汽车研究委员会 联手, 从事汽车结构的先进材料、 加工方法和装配技术的开 发项目, 其重要项目之一就是汽车结构用复合材料的技术开 发。 20 世纪 80 年代末, USCAR 下设的汽车复合材料委员会 也开展了该领域的研究。 摇 摇 最近德国 Paderborn 大学的 O郾 Hahn 等人提出 “ 多材料 轻量化结构冶 及 “ 合适材料用在合适的部位冶 两个概念, 给出了车身材料的发展趋势, 通过对多材料进行结构优化,
1摇 汽车外饰目前的的功能性或装饰性部件, 主要 包括保险杠、 翼子板、 车身裙板、 外侧围、 进气道、 车顶 盖、 车门、 散热器格栅、 发动机罩、 扰流板、 防擦条、 后门 拉手、 脚踏板等。 根据其所处的位置( 外部) 和具有的功能 (防撞等), 这些部位的材料要具有较高的强度、 韧性、 耐 环境条件及耐冲击性能。 摇 摇 随着汽车行业和材料行业技术水平的不断提高, 汽车外 饰材料已逐渐走向多元化。 除了普通钢材以外, 高强度钢 材、 铝镁合金、 工程塑料和各种复合材料也正得到越来越多 的采用。 其中, 复合材料由于质量轻、 可设计性好、 抗腐蚀 等优点正日益得到重视。 摇 摇 不过一般来说, 以下几个方面决定着汽车外饰材料的选 择: 材料成本、 生产率、 加工难度、 设计方法的成熟性、 汽 车重量要求。 所以根据汽车类型的不同, 其复合材料的应用 不尽相同。 摇 摇 1) 对于普通轿车来说, 成本和生产率极为重要, 只有 实现了低成本和高生产率的材料才能得到采用。 因此, 除了 金属材料以外, 目前该类型汽车上最常用的聚合物外饰材料
摇 热塑性复合材料
摇 惟一同时满足了所有国家法规要求的设 —
计。 减重 60%
摇 雷诺 Espace
摇 尾门
摇 热固性复合材料
RTM 摇 该型轿车达到了 70000 辆 / 年的量产规模
摇 雷诺 Megane 域
摇 尾门、 翼子板
—
摇 菲 亚 特 Coupe 和 Alfa 摇 整合的发动机罩和
—
轿车 Romeo GTV
2郾 Evonik Degussa Co郾 , Ltd. Shanghai Branch
摇 摇 Abstract: Increasing requests from environment protection and economics have made light weight automotive exteriors a key issue in automotive industry. Composite material, one of those light weighting materials, has been in abundant applications in automotive ex鄄 teriors. PMI foam cored sandwich structures can significantly decrease the weight while the structural performance keeps the same. By topology optimization methods, Evonik Degussa, together with Tongji University, designed & manufactured a light weight foam鄄cored automotive bonnet & rear door, which had significantly shown the advantage of foam鄄cored sandwich structures in light weighting. Such muti鄄materials light weight structures will lead the development of automotive exteriors郾 摇 摇 Key words: foam鄄cored sandwich structure摇 automotive exterior摇 light鄄weighting摇 topology optimization
摇 摇 揖关键词铱摇 泡沫夹层结构摇 汽车外饰摇 轻量化摇 拓扑优化
Applications & Topology Optimization of Foam鄄cored Sandwich Structures in Light鄄weight Automotive Exteriors
Li Wenxiao1 , Wu Wenping1 , Fan Haitao2 , Hu Pei2 1郾 College of Aerospace Engineering and Mechanics, Tongji University
是热塑性塑料( 有时加入短玻璃纤维增强), 这类材料可以 通过注射工艺进行量产, 具有较高的生产率。 热固性聚合物 相对于热塑性聚合物来说应用较少, 且目前来看应用前景还 不是很好。 热固性复合材料只能通过两种工艺实现中高规模 的量 产, 即 片 状 模 塑 成 型 ( SMC ) 和 树 脂 转 移 模 塑 成 型 ( RTM) 。 摇 摇 2) 运动型和概念验证型轿车具有低重量、 高强度 / 刚 度的要求, 不需要实现大规模量产(即对生产率要求不高), 其面向的市场可承受较高的成本, 因此该类型汽车的外饰广 泛采用了纤维增强复合材料。 摇 摇 3) 载货车和拖车的车体重量对运输成本有较大影响, 因此该类型的汽车也有采用复合材料( 纤维增强复合材料、 夹层板等) 的实例。 摇 摇 表 1 所示为复合材料在某些车型外饰上的应用情况, 其 中 SMC 为片状模塑成型, RTM 为树脂转移模塑成型, RIM 为反应注射成型, VI 为真空树脂注入成型。 摇 摇 可以看到, 纤维增强复合材料等新品种已随着技术的成 熟而正在扩大应用, 应用部位包括车门、 发动机罩、 前格 栅、 翼子板、 保险杠骨架、 门柱护板、 通风百叶窗、 导流罩 等近 20 种外饰件。
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3摇 PMI 泡沫夹层结构的特点
摇 摇 夹层结构是一种多材料混合结构体系, 通常由上下面板 及中间的芯材组成, 如图 1 所示。 芯材一般采用轻质材料 (通常为蜂窝或泡沫), 既可以承受剪切载荷也起到减振和 吸收噪声的功能。 面板则一般采用强度和刚度均比较高的复 合材料, 可以是层压板, 也可以是缠绕或编织成型的复合材 料板。 夹层结构传递载荷的方式类似于工字梁, 上下面板提 供面内的刚度和强度, 承受由弯矩或面内拉压引起的面内拉 压应力和面内剪应力, 芯材提供面板法向方向的刚度和强 度, 承受压应力和横向力产生的剪应力, 并支持面板, 使其 不失去稳定性, 可较大幅度地减轻构件的重量。 而且由于芯 材较轻, 面板较强, 从而能同时达到重量轻、 性能好这两个 要求, 是提高汽车结构效率的重要途径。
图 1摇 夹层结构的概念
摇 摇 复合材料夹层结构可以采用聚甲基丙稀酰亚胺( 简称 PMI) 泡沫作为芯材。 摇 摇 PMI 泡沫最早由德国罗姆公司于 1972 年开发研制出来, 经过 30 多年 的 发 展 成 为 一 系 列 的 产 品。 目 前, 市 场 上 的 PMI 泡沫产品主要是德国赢创德固赛公司 ( 前身为 罗 姆 公 司) 生产的 ROHACELL襆 。 摇 摇 PMI 泡沫采用固体发泡工艺制作, 孔隙基本一致, 且为 均匀的 100% 闭孔泡沫。 在相同密度的条件下, PMI 是强度 和刚度最高的泡沫材料。 其高温下耐蠕变性能使得该泡沫能 够适用高温固化的树脂和预浸料。 PMI 泡沫经适当的高温处 理以后, 能满足 190益 的固化工艺对泡沫尺寸稳定性的要 求, 适用于环氧或 BMI 树脂共固化的夹层结构构件中。 摇 摇 PMI 泡沫具有如下性能特点: 摇 摇 1) 不含有氟里昂和卤素。 摇 摇 2) 易于机械加工, 不需要特殊的机具。 摇 摇 3) 能够热成形, 并保证 100% 闭孔泡沫, 且各向同性。 摇 摇 4) 和各种树脂系统兼容(湿法和预浸料)。 摇 摇 5) 高热变形温度、 高强度鄄重量比、 高耐疲劳性能。 摇 摇 6) 在加工过程中, 具有很好的抗压缩蠕变性能, 可以 适用包括中温环氧、 高温环氧以及 BMI 树脂预浸料等的复 合材料夹层结构共固化工艺。 摇 摇 PMI 泡沫自身的优势结合复合材料层压板, 就可以构成 结构效率高、 具有高比刚度、 高比强度的复合材料夹层结 构。 因为 PMI 泡沫具有良好的耐压缩蠕变性能, 在复合材 料的成型过程中, 可以作为模具材料, 保证结构的尺寸稳定 性; 同时它也是一种良好的结构材料, 提高结构的刚度和稳