&

【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(fā)

2021-02-26 13:01:44 作者：本網(wǎng)整理來源：碳纖維及其復合材料技術(shù) 分享至：

碳纖維復合材料在國外應用已經(jīng)近60年的歷史，碳纖維復合材料在航空航天、汽車工業(yè)、風電葉片等領(lǐng)域的應用極大促進了產(chǎn)業(yè)升級，而在應用研究中，碳纖維復合材料從設計到應用經(jīng)歷了漫長的過程，國外在由大量經(jīng)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(lián)合高校和相關(guān)軟件企業(yè)，針對汽車輕量化用碳纖維復合材料材料工程技術(shù)進行的開發(fā)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(fā)》旨在為碳纖維增強聚合物（CFRP）復合材料開發(fā)集成計算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）技術(shù)，并在多學科優(yōu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(fā)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。

640?wx_fmt=png&tp=webp&wxfrom=5&wx_lazy=1&wx_co=1.jpg

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(jīng)費為600萬美元，工業(yè)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(shù)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(huán)氧樹脂基復合材料，研究了短切SMC、UD和機織三種結(jié)構(gòu)在模壓成型過程中的性能。結(jié)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(zhì)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(gòu)件的性能和性能，因此實現(xiàn)最優(yōu)構(gòu)件設計需要能夠根據(jù)纖維結(jié)構(gòu)、成型工藝和固化歷史預測構(gòu)件微觀結(jié)構(gòu)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(zhì)。