美國研發汽車輕量化復合材料預測工程工具

 

　　按照美國條例規定，到2025年，汽車的平均燃油經濟標準必須達到每加侖54.5英里，比目前每加侖35.5英里提高了近60%。毫無疑問，減重是汽車制造商們尋求提高汽車燃油效率的眾多方法之一，而碳纖維增強塑料是最有前景的輕量化材料之一。

 

　　雖然比鋼更強、更輕，但碳纖維復合材料相對昂貴，因而合理使用材料的要求更加迫切。與金屬相比，碳纖維復合材料的建模更加復雜，這是因為碳纖維復合材料的特性取決于制造過程中的纖維含量、纖維長度分布以及纖維取向。

 

　　為加速開發新的經濟的長碳纖維復合材料，美國太平洋西北國家實驗室領導專家小組一起，開發一系列的工程工具。這些小組成員包括：汽車制造商豐田汽車公司、一級零部件供應商麥格納公司、長碳纖維材料和技術的供應商PlastiComp公司、領先的過程建模軟件提供商Autodesk，以及來自大學的研究合作伙伴——伊利諾伊大學、普渡大學和弗吉尼亞理工大學。

 

　　該團隊得到了美國能源部車輛技術輕質材料計劃辦公室的資助，所開發的軟件工具成功地預測了復雜碳纖維熱塑性塑料部件中的纖維取向和長度分布。

 

　　復合材料部件的開發過程要求汽車制造商制造模具、成型部件并進行測試。這是一個漫長而艱苦的過程，不利于新型、更具成本效益的碳纖維復合材料在汽車行業的快速發展。利用由太平洋西北國家實驗室領導的團隊驗證的工程開發軟件，制造商們將能夠在成型前“看出”所提議的碳纖維復合材料設計的結構特性會是什么樣的。這些工具將允許制造商和汽車部件的設計師們以更快的速度去試驗和探索新的思想。

 

　　該團隊采用Autodesk Moldflow軟件，基于最初由Charles Tucker教授與其同事一起開發的模型，對成型部件中的纖維取向和纖維長度分布進行預測。在豐田、PlastiComp和麥格納的指導下，他們采用PlastiComp的材料，成型出長碳纖維的復合材料部件，并提取纖維供普渡大學和弗吉尼亞理工大學進行測試。

 

　　然后，太平洋西北國家實驗室對仿真軟件預測的性能與成型纖維的試驗結果進行對比，以驗證軟件和模型的準確性。太平洋西北國家實驗室發現，該軟件工具成功地預測了纖維長度分布(準確率100%)和纖維取向(準確率88%)。

 

　　此外，作為該項目的一部分，太平洋西北國家實驗室與麥格納和豐田一起，對照標準鋼和玻璃纖維復合材料，分析了長碳纖維部件的性能收益和成本。太平洋西北國家實驗室發現，所研究的碳纖維增強聚合物復合材料技術能夠將車身系統重量減輕20%。但是，碳纖維部件的生產成本可能比鋼部件高10倍。利用預測工具對工藝和結構進行優化，能夠顯著降低生產成本，為碳纖維在汽車行業的更廣泛應用鋪平道路。