【聚焦】轻量化汽车用碳纤维复合材料的集成计算工程材料开发
2021-02-26 13:01:44
作者：本网整理 来源：碳纤维及其复合材料技术
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碳纤维复合材料在国外应用已经近60年的历史，碳纤维复合材料在航空航天、汽车工业、风电叶片等领域的应用极大促进了产业升级，而在应用研究中，碳纤维复合材料从设计到应用经历了漫长的过程，国外在由大量经费资助了碳纤维复合材料研究项目。
本文主要介绍了美国福特公司联合高校和相关软件企业，针对汽车轻量化用碳纤维复合材料材料工程技术进行的开发研究。
该项目《轻量化汽车用碳纤维复合材料的集成计算材料工程开发》旨在为碳纤维增强聚合物（CFRP）复合材料开发集成计算材料工程（Integrated Computational Materials Engineering，ICME）技术，并在多学科优化方案中使用这些ICME工具来设计轻量化汽车用碳纤维密集型前副车架。
副车架作为汽车的结构部件，对振动、强度、耐用性和安全性能有严格的要求。CFRP复合材料的密度为1.55g/cm?，纤维方向的拉伸强度高达2,000 MPa，具有很高的强度重量比，是替代目前汽车结构件用金属的最有希望的候选材料之一。
通过增加CFRP组件设计的可访问性，减少CFRP组件从开发到部署的交付时间以及提高初始设计的耐用性，该项目可减轻轻量化汽车的重量，进而可以帮助减轻乘用车的温室气体排放，并具有改善国家能源独立性的潜力。
复合材料模压工艺示意图
该项目为期四年，于2019年初完成，总预算为858万美元，美国能源部资助经费为600万美元，工业合作伙伴提供了剩余的258万美元。福特汽车公司与西北大学陶氏化学公司主导项目实施，而马里兰大学和利弗莫尔软件技术公司、ESTECO、HBM Prenscia以及Autodesk Inc.参与了项目。
该项目主要研究基于短切碳纤维、单向碳纤维和机织碳纤维三种不同增强体的环氧树脂基复合材料，研究了短切SMC、UD和机织三种结构在模压成型过程中的性能。结果显示：CFRP的力学性能具有高度的方向依赖性，因为初始织物质量、材料布局、预制和成型工艺都决定了纤维的最终局部取向。
由于局部纤维取向显著影响CFRP强化构件的性能和性能，因此实现最优构件设计需要能够根据纤维结构、成型工艺和固化历史预测构件微观结构和性能的工具。还应充分考虑每个过程固有的不确定性，以及材料和制造过程的概率性质。
三种环氧树脂CFRP复合材料（UD、机织和短切SMC）的数据都添加到国家标准与技术研究所（NIST）的公开材料特性数据库中，700多个试件测试结果提供了输入和验证碳纤维增强塑料材料模型所需的数据。
基于模型设计加工的多材料副车架设计满足关键工程要求，与基线冲压钢副车架相比，重量减轻了至少25％，每磅重量节省成本增加不到4.27美元。该项目的最后阶段形成了一个初步的副车架设计，节省了30%重量，每磅节省的成本为4.01美元。
这种材料设计采用79 wt%（重量百分比）的钢，配以16 wt%短切碳纤维SMC增强材料和5 wt%UD碳纤维复合材料补片，这种初始设计满足临界刚度、强度和耐久性目标以及关键安全指标。
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