碳纖維復(fù)合材料車身輕量化設(shè)計(jì)成型工藝研究

吳正乾

摘要：本文從碳纖維復(fù)合材料車身輕量化研究意義和應(yīng)用著手，以碳纖維復(fù)合材料引擎蓋為例，重點(diǎn)闡述碳纖維復(fù)合材料車身覆蓋件成型工藝RTM樹(shù)脂充模仿真流程和充模過(guò)程的影響因素。

關(guān)鍵詞：碳纖維復(fù)合材料；車身輕量化；樹(shù)脂傳遞模塑成型

一、碳纖維復(fù)合材料車身輕量化研究意義

2017年我國(guó)汽車產(chǎn)銷量2800萬(wàn)輛，汽車保有量達(dá)2.17億輛，燃油消耗、排放逐年遞增。國(guó)家《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012—2020年）》[1]規(guī)劃到2020年乘用車平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，節(jié)能型乘用車燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。根據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，整車質(zhì)量每減輕10%，百公里油耗減少6%8%，排放降低5%6%。節(jié)能減排是汽車工業(yè)亟需解決的問(wèn)題。車身輕量化是目前節(jié)能減排較為有效的方法。目前汽車零部件輕量化材料碳纖維復(fù)合材料具有高性能強(qiáng)度、耐磨、隔熱和耐腐蝕等的優(yōu)點(diǎn)，采用高性能碳纖維復(fù)合材料代替部分現(xiàn)有金屬材料可以實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

二、碳纖維復(fù)合材料在車身上的應(yīng)用

寶馬BMW i3是最先將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用在車身上的車型，BMW i3的坐艙和部分車身覆蓋件是用碳纖維復(fù)合材料制成的，采用碳纖維復(fù)合材料后整車質(zhì)量降為1.25噸。2015年，寶馬公司推出碳車身寶馬7系，其B柱、C柱、中央通道、門梁和車頂棚梁等車身覆蓋件均使用碳纖維復(fù)合材料，駕駛室扭轉(zhuǎn)剛度性能提升，整車質(zhì)量下降。艾瑞澤7s是奇瑞公司和寧波材料技術(shù)與工程研究所共同研發(fā)的一款插電式混合動(dòng)力汽車，艾瑞澤7s的引擎蓋、門梁等車身覆蓋件采用碳纖維復(fù)合材料，車身質(zhì)量減輕40%60%，油耗減少約7%，這正是該車亮點(diǎn)和賣點(diǎn)。2016年，特斯拉Roadster電動(dòng)跑車，采用碳纖維復(fù)合材料車身后整車重量只有920公斤，與使用其他輕量化材料的汽車相比，質(zhì)量更輕，加速性能、操控性能和環(huán)保性能更好。

三、碳纖維復(fù)合材料車身覆蓋件成型工藝

目前碳纖維復(fù)合材料成型工藝主要有手糊成型、拉擠成型、熱壓罐成型、模壓成型和樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）等工藝。[2]手糊成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是成型工藝的生產(chǎn)設(shè)備比較簡(jiǎn)單、廠家投入資金少，工作人員容易掌握生產(chǎn)技術(shù)，不受成型產(chǎn)品的形狀以及尺寸的約束，其缺點(diǎn)是不能大批量生產(chǎn)，因每位技術(shù)工人具有差異性不能保證成型產(chǎn)品的一致性。拉擠成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是成型工藝產(chǎn)品強(qiáng)度高、耐腐蝕和絕緣性好，適用于體育用品（如羽毛球拍）和航空航天等領(lǐng)域。熱壓罐成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是成型工藝產(chǎn)品加工靈活，可以加工生產(chǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造尺寸精度高的復(fù)合材料零部件，其缺點(diǎn)是溫度控制不均勻，熱壓罐體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高。纏繞成型工藝的優(yōu)點(diǎn)是制件具有強(qiáng)度高、質(zhì)量輕、隔熱和耐腐蝕的特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是在生產(chǎn)加工過(guò)程中容易產(chǎn)生氣泡，會(huì)導(dǎo)致纖維空隙過(guò)多，影響產(chǎn)品質(zhì)量。模壓成型工藝優(yōu)點(diǎn)可批量生產(chǎn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，效率高，重復(fù)性好，其缺點(diǎn)成型產(chǎn)品模具制作過(guò)程復(fù)雜，投入成本高，適合生產(chǎn)中、小型復(fù)合材料成型產(chǎn)品。樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝優(yōu)點(diǎn)是成型工藝產(chǎn)品適合不同類型的零部件，能大批量生產(chǎn)，可以直接使用預(yù)成型體注入樹(shù)脂固化，節(jié)約生產(chǎn)成本。樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝非常適合于車身覆蓋件的生產(chǎn)需求，因此，研究碳纖維復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）工藝具有重要的意義。下面從碳纖維復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞模塑成型（RTM）工藝充模過(guò)程影響因素和碳纖維復(fù)合材料樹(shù)脂傳遞模塑成型流程兩個(gè)方面進(jìn)行闡述：

（一）RTM樹(shù)脂充模仿真流程

以碳纖維復(fù)合材料引擎蓋為例介紹RTM樹(shù)脂充模仿真流程。

（1）導(dǎo)入碳纖維復(fù)合材料引擎蓋仿真模型。以碳纖維復(fù)合材料引擎蓋進(jìn)行RTM成型工藝仿真，引擎蓋由外板和內(nèi)板組成，內(nèi)、外板是單獨(dú)制作，通過(guò)粘接組合在一起。以碳纖維復(fù)合材料引擎蓋外板為例進(jìn)行仿真分析。

（2）選擇RTM仿真成型工藝類型。因碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的外板具有大而薄的薄殼特點(diǎn)，建議選擇標(biāo)準(zhǔn)的為RTM仿真工藝類型。

（3）設(shè)計(jì)RTM樹(shù)脂充模注膠口和出膠口位置。碳纖維復(fù)合材料引擎蓋外板呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，按照流程最短、由下而上流動(dòng)、各出膠口同時(shí)流放的設(shè)計(jì)原則，建議采用零件放置形式為垂直、注膠口位置在下方、出膠口位置在上方的方案。

（4）設(shè)置RTM仿真參數(shù)。設(shè)置注射溫度（T）、樹(shù)脂粘度以及注射壓力（P）等與RTM樹(shù)脂充模的主要工藝控制參數(shù)。

（5）設(shè)置碳纖維預(yù)成型體參數(shù)。根據(jù)碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的實(shí)際情況設(shè)置預(yù)成型體的碳纖維滲透率、鋪層角度、結(jié)構(gòu)厚度和體積含量等參數(shù)。

（6）RTM樹(shù)脂充模仿真分析。確定RTM樹(shù)脂充模注膠口與出膠口的位置，確認(rèn)碳纖維預(yù)成型體和樹(shù)脂充模的各個(gè)參數(shù)正確設(shè)置后，開(kāi)始有限元仿真分析，輸出仿真結(jié)果。

（二）充模過(guò)程影響因素

（1）碳纖維滲透率對(duì)樹(shù)脂充模時(shí)間的影響。碳纖維滲透率可以用Darcy定律描述：

v=kη△Ρ

其中，v為樹(shù)脂在介質(zhì)中的流動(dòng)速度；k為介質(zhì)（預(yù)成型體）的滲透張量；η為樹(shù)脂的粘度；△Ρ為壓力差。

本研究把碳纖維增強(qiáng)體滲透率設(shè)為控制變量，考慮碳纖維方向保持不變、碳纖維増強(qiáng)體厚度、碳纖維體積含量、樹(shù)脂粘度和注射壓力等參數(shù)來(lái)研究滲透率大小對(duì)充模時(shí)間的影響。在一定范圍內(nèi)，碳纖維滲透率與樹(shù)脂充模時(shí)間成反比，當(dāng)碳纖維滲透率升高時(shí)，樹(shù)脂充模時(shí)間降低，在碳纖維滲透率>1.2時(shí)，充模時(shí)間趨于穩(wěn)定，此時(shí)對(duì)充模時(shí)間影響不大。

（2）注射壓力對(duì)樹(shù)脂充模時(shí)間的影響。注射壓力對(duì)RTM成型產(chǎn)品質(zhì)量和充模時(shí)間有著非常重要的影響。通過(guò)碳纖維復(fù)合材料引擎蓋RTM充模仿真可知，樹(shù)脂注射壓力與充模時(shí)間成反比，當(dāng)注射壓力逐步增加時(shí)，充模時(shí)間逐步減少，最后趨于某一穩(wěn)定值。

（3）注射溫度對(duì)充模時(shí)間的影響。樹(shù)脂的注射溫度直接影響樹(shù)脂粘度，樹(shù)脂粘度影響樹(shù)脂充模時(shí)間。樹(shù)脂注射溫度與充模時(shí)間成發(fā)比，當(dāng)樹(shù)脂注射溫度升高，樹(shù)脂粘度就降低，充模時(shí)間縮短。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（20122020年）的通知. http：//www.gov.cn/zwgk/201207/09/content_2179032.htm.

[2]吳方賀.碳纖維復(fù)合材料發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化[D].吉林：吉林大學(xué)，2017，5.