目前，汽車輕量化的發(fā)展要求給汽車制造商帶來了更大的壓力，特別是2015-2020年期間，汽車制造將面臨巨大的減重壓力。B柱作為重要的車身部件，需要具有較高的剛度和吸能性，以滿足側(cè)面碰撞的安全要求。因此，B柱的減重是一項具有挑戰(zhàn)性的工作。
近期，致力于制造碳纖維復(fù)合材料部件的Mubea Carbo Tech公司與Edag Engineering AG合作，采用鋼與纖維增強(qiáng)復(fù)合材料開發(fā)了一款混合材料輕量化B柱。
概念設(shè)計與CAE仿真
首先以Mubea的TRB B柱為原型，參考美國IIHS碰撞試驗要求，建立CAE仿真模型。對側(cè)碰過程中B柱的拉伸和壓縮應(yīng)力分布進(jìn)行分析，結(jié)果顯示：纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（以下簡稱FRP）可有效實現(xiàn)應(yīng)力傳遞。但是在碰撞過程中B柱內(nèi)部產(chǎn)生了教的拉應(yīng)力，B柱加強(qiáng)件上產(chǎn)生了較大的壓應(yīng)力，具體如圖1所示。由于FRP材料承受應(yīng)用載荷的能力有限，因此，基于CAE仿真可確定FRP材料的應(yīng)用區(qū)域。
隨后進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，分析FRP材料的纖維排列，鋪層結(jié)構(gòu)，鋼板厚度設(shè)計以及與鋼制部分的結(jié)構(gòu)分布對產(chǎn)品性能的影響。
模擬表明，F(xiàn)RP材料應(yīng)用于B柱上端，與鋼制結(jié)構(gòu)通過粘合進(jìn)行連接的方案最佳。上端采用高纖維含量的FRP材料，下端采用變厚度鋼制結(jié)構(gòu)可獲得理想的減重和安全效果，具體如圖2所示。
產(chǎn)品試制
在經(jīng)歷概念設(shè)計和仿真模擬之后，需要進(jìn)行產(chǎn)品試制。這里主要涉及鋼制件和FRP的生產(chǎn)。鋼制部分采用Mubea的TRB板，F(xiàn)RP部分考慮到大規(guī)模生產(chǎn)要求，采用自動編織FRP預(yù)制件。
其中FRP材料是通過使用泡沫芯作為支撐元件，機(jī)器人控制圍繞該支撐元件編織碳纖維，從而實現(xiàn)纖維以特定的角度進(jìn)行層鋪。然后采用RTM工藝浸漬樹脂，固化成型。在連接之前，還需要對部件端部表面進(jìn)行噴砂處理和進(jìn)一步的回火處理。具體見圖3.
最后，將FRP部分于鋼制體進(jìn)行粘接，在通過常規(guī)點(diǎn)焊連接其他鋼制部件。
性能驗證
對混合材料B柱實施落錘沖擊試驗，具體測試見圖4。為了能夠模擬B柱在整體上的實際應(yīng)用情況，測試時也考慮了支點(diǎn)的剛度。測試結(jié)果與CAE模擬結(jié)果相近，下端TRB鋼制部分承擔(dān)了吸能的任務(wù)，變形較大。具體見圖5.
小結(jié)
作為行業(yè)領(lǐng)先的復(fù)合材料汽車部件供應(yīng)商，Mubea Carbo Tech一直致力于汽車輕量化部件的設(shè)計與開發(fā)。該項目的研究表明，對于B柱這樣需要承受高應(yīng)力的部件，也可以通過混合材料的設(shè)計實現(xiàn)輕量化。
從重量的角度來看，混合材料B柱突破了傳統(tǒng)B柱用材體系，實現(xiàn)了20%的減重效果。此外，如圖6和表1所示，連續(xù)自動化生產(chǎn)也有助于將FRP材料的應(yīng)用成本保持在合理水平。未來，Mubea Carbo Tech將進(jìn)一步開展該混合B柱的批量化生產(chǎn)與應(yīng)用。
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