碳纖維復合材料翼子板在某車型上的應用

王雪爭，代德才，門立忠，王帥，李飛

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

前言

汽車輕量化是實現汽車節能減排的重要途徑，已成為世界汽車發展的潮流，研究表明，汽油乘用車每減重100kg將節油0.39L/100km，汽車質量每降低10%，可降低油耗6%～8%，排放下降4%。各大主機廠已紛紛采取不同技術降低汽車整備質量，其中以復合材料代替鋼板材料成為輕量化技術的重要發展方向，目前應用在汽車零部件的復合材料主要有碳纖維和玻璃纖維兩大類，碳纖維復合材料擁有絕佳的任性和抗拉強度，其密度在1.45～1.6g/cm3,拉伸強度可達1.5GPa以上，超過鋁合金的3倍，接近超高強度鋼的水平。碳纖維復合材料翼子板在保證普通鋼板材料翼子板性能外減重約50%，有效的降低汽車整備質量達到節能減排目的。

1　碳纖維復合材料應用到汽車上的優勢

碳纖維復合材料零部件已成為各大主機廠重要發展方向，其應用到汽車上的七大優勢如下：

（1）輕量化：提高車體本身性能，減重50%，節能省油。

（2）安全性：同等體積，碳纖維本身拉伸強度是鋼板材料的7-9倍，能最大減少傳到駕駛室的能量。

（3）抗疲勞性：碳纖維較細，缺陷少，機體塑形好，可以抑制裂紋發展，具有良好的抗疲勞性。

（4）減震能力強：碳纖維復合材料比模量大，自震頻率高，不易出現共震。

（5）抗老化性：碳纖維復合材料在500攝氏度以上才會被空氣中的氧氧化，而且它被機體完全保護起來了。

（6）可設計性強：碳纖維復合材料可編織性強。

（7）高溫抗性：碳纖維復合材料可承受2000攝氏度高溫，而強度不變。

2　碳纖維翼子板制作工藝

碳纖維復合材料翼子板成型工藝分為兩類：1）熱固性工藝；2）熱塑性工藝。

熱固性工藝包括：高壓 RTM，濕法模壓，干法模壓，Hybird。

熱塑性工藝包括：LFT-D，Tailored Blank Line。下表1為熱固性工藝和熱塑性工藝的區別。

表1　熱固性工藝和熱塑性工藝的區別

本文主要介紹汽車零部件主要成型工藝：高壓 TRM 和濕法模壓。

濕法模壓：一種批量生產使用的工藝，適合外形簡單零部件成型。首先進行碳纖維原絲鋪層編制、切割、涂膠，最后入模加熱固化成型，見流程圖1。

圖1　濕法膜壓成形工藝過程

HP-RTM：一種批量生產使用的工藝，適合外形復雜零部件成型。首先進行碳纖維原絲鋪層編制、切割、入模、預成型、合模置入樹脂，最后固化成型，見流程圖2。

圖2　HP-RTM成型工藝過程

3　某車型碳纖維翼子板設計

碳纖維復合材料在整車上設計流程如圖3。

圖3　碳纖維復合材料在整車上設計流程

碳纖維復合材料仿真優化流程如圖4。

圖4　碳纖維復合材料仿真優化流程

翼子板作為重要的車身組成部分，剛度是首先需要滿足的性能要求，任何輕量化技術的研究也應以滿足剛度為前提，表2示出某車型1.6mm碳纖維翼子板和0.7mm鋼板翼子板性能參數對比。

表2　碳纖維翼子板與鋼板翼子板性能參數對比

本次某車型碳纖維翼子板厚度選用的是1.6mm，重量為1.256kg。制作翼子板使用材料為平紋機織CFRP，單層厚度為0.2mm，材料強度為300Mpa，通過Abaqus軟件仿真計算得到 1.6mm厚度碳纖維翼子板滿足部件性能要求,且剛度遠遠超過要求，表明翼子板存在很大的優化設計空間。

圖5　維翼子板設計

采用OptiStruct軟件中的尺寸優化方法進行CFRP翼子板的結構優化設計，結果如圖5。 根據設計經驗并考慮制造工藝，休整改進優化結果，改進后翼子板的造型面及安裝面保持不變，以保證翼子板外形及正常裝配，改變翼子板厚度，以便在減重的同時滿足性能要求，優化結果表示1.4mmCFRP翼子板就滿足了性能要求。

碳纖維增強復合材料的特性主要表現在力學性能、熱物理性能、熱燒蝕性能、可設計性和耐沖擊性等幾個方面，碳纖維復合材料翼子板優點：

（1）阻尼較高，較好的隔音性能。

（2）剛度較高，提高閥蓋抗凹性。

（3）減重50%以上，提高鎖、鉸鏈耐久性。

（4）較高的模態，提高NVH性能。

（5）集成化設計，內板可集成加強板，減少零件個數。（6）直接安裝，不需要改線。

圖6　碳纖維翼子板結構

4　結論

降低車重只有三種途徑，一是結構優化設計，二是先進的工藝，三是輕量化材料應用。前兩者在現有技術上已很難再繼續突破，只有應用輕量化材料才是最有效的減重徑。碳纖維復合材料是未來汽車輕量化發展的重要方向，但成本高、樣件制造周期長、設計不成熟和維修問題是當前國內需要主要攻破的瓶頸。因此，要想使碳纖維復合材料在汽車輕量化中大量應用必須首先要降低碳纖維的生產成本，通過改進原絲生產工藝，降低原絲成本；發展新的預氧化、碳化和石墨化技術，縮短預氧化時間，降低碳化、石墨化成本，從而達到降低碳纖維成本達到汽車節能減排的作用。

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