| 标题 | 碳纤维复合材料车身轻量化设计成型工艺研究 |
| 范文 | 吴正乾 摘要：本文从碳纤维复合材料车身轻量化研究意义和应用着手，以碳纤维复合材料引擎盖为例，重点阐述碳纤维复合材料车身覆盖件成型工艺RTM树脂充模仿真流程和充模过程的影响因素。 关键词：碳纤维复合材料；车身轻量化；树脂传递模塑成型 一、碳纤维复合材料车身轻量化研究意义 2017年我国汽车产销量2800万辆，汽车保有量达2.17亿辆，燃油消耗、排放逐年递增。国家《节能与新能源汽车产业发展规划（2012—2020年）》[1]规划到2020年乘用车平均燃料消耗量降至5.0 L/百公里，节能型乘用车燃料消耗量降至4.5 L/百公里以下。根据世界铝业协会的统计标准，整车质量每减轻10%，百公里油耗减少6%8%，排放降低5%6%。节能减排是汽车工业亟需解决的问题。车身轻量化是目前节能减排较为有效的方法。目前汽车零部件轻量化材料碳纤维复合材料具有高性能强度、耐磨、隔热和耐腐蚀等的优点，采用高性能碳纤维复合材料代替部分现有金属材料可以实现车身轻量化。 二、碳纤维复合材料在车身上的应用 宝马BMW i3是最先将碳纤维复合材料应用在车身上的车型，BMW i3的坐舱和部分车身覆盖件是用碳纤维复合材料制成的，采用碳纤维复合材料后整车质量降为1.25吨。2015年，宝马公司推出碳车身宝马7系，其B柱、C柱、中央通道、门梁和车顶棚梁等车身覆盖件均使用碳纤维复合材料，驾驶室扭转刚度性能提升，整车质量下降。艾瑞泽7s是奇瑞公司和宁波材料技术与工程研究所共同研发的一款插电式混合动力汽车，艾瑞泽7s的引擎盖、门梁等车身覆盖件采用碳纤维复合材料，车身质量减轻40%60%，油耗减少约7%，这正是该车亮点和卖点。2016年，特斯拉Roadster电动跑车，采用碳纤维复合材料车身后整车重量只有920公斤，与使用其他轻量化材料的汽车相比，质量更轻，加速性能、操控性能和环保性能更好。 三、碳纤维复合材料车身覆盖件成型工艺 目前碳纤维复合材料成型工艺主要有手糊成型、拉挤成型、热压罐成型、模压成型和树脂传递模塑成型（RTM）等工艺。[2]手糊成型工艺的优点是成型工艺的生产设备比较简单、厂家投入资金少，工作人员容易掌握生产技术，不受成型产品的形状以及尺寸的约束，其缺点是不能大批量生产，因每位技术工人具有差异性不能保证成型产品的一致性。拉挤成型工艺的优点是成型工艺产品强度高、耐腐蚀和绝缘性好，适用于体育用品（如羽毛球拍）和航空航天等领域。热压罐成型工艺的优点是成型工艺产品加工灵活，可以加工生产结构复杂、制造尺寸精度高的复合材料零部件，其缺点是温度控制不均匀，热压罐体积大，结构复杂，成本高。缠绕成型工艺的优点是制件具有强度高、质量轻、隔热和耐腐蚀的特点，其缺点是在生产加工过程中容易产生气泡，会导致纤维空隙过多，影响产品质量。模压成型工艺优点可批量生产复杂结构件，效率高，重复性好，其缺点成型产品模具制作过程复杂，投入成本高，适合生产中、小型复合材料成型产品。树脂传递模塑成型工艺优点是成型工艺产品适合不同类型的零部件，能大批量生产，可以直接使用预成型体注入树脂固化，节约生产成本。树脂传递模塑成型工艺非常适合于车身覆盖件的生产需求，因此，研究碳纤维复合材料树脂传递模塑成型（RTM）工艺具有重要的意义。下面从碳纤维复合材料树脂传递模塑成型（RTM）工艺充模过程影响因素和碳纤维复合材料树脂传递模塑成型流程两个方面进行阐述： （一）RTM树脂充模仿真流程 以碳纤维复合材料引擎盖为例介绍RTM树脂充模仿真流程。 （1）导入碳纤维复合材料引擎盖仿真模型。以碳纤维复合材料引擎盖进行RTM成型工艺仿真，引擎盖由外板和内板组成，内、外板是单独制作，通过粘接组合在一起。以碳纤维复合材料引擎盖外板为例进行仿真分析。 （2）选择RTM仿真成型工艺类型。因碳纤维复合材料引擎盖的外板具有大而薄的薄壳特点，建议选择标准的为RTM仿真工艺类型。 （3）设计RTM树脂充模注胶口和出胶口位置。碳纤维复合材料引擎盖外板呈对称结构，按照流程最短、由下而上流动、各出胶口同时流放的设计原则，建议采用零件放置形式为垂直、注胶口位置在下方、出胶口位置在上方的方案。 （4）设置RTM仿真参数。设置注射温度（T）、树脂粘度以及注射压力（P）等与RTM树脂充模的主要工艺控制参数。 （5）设置碳纤维预成型体参数。根据碳纤维复合材料引擎盖的实际情况设置预成型体的碳纤维渗透率、铺层角度、结构厚度和体积含量等参数。 （6）RTM树脂充模仿真分析。确定RTM树脂充模注胶口与出胶口的位置，确认碳纤维预成型体和树脂充模的各个参数正确设置后，开始有限元仿真分析，输出仿真结果。 （二）充模过程影响因素 （1）碳纤维渗透率对树脂充模时间的影响。碳纤维渗透率可以用Darcy定律描述： v=kη△Ρ 其中，v为树脂在介质中的流动速度；k为介质（预成型体）的渗透张量；η为树脂的粘度；△Ρ为压力差。 本研究把碳纤维增强体渗透率设为控制变量，考虑碳纤维方向保持不变、碳纤维増强体厚度、碳纤维体积含量、树脂粘度和注射压力等参数来研究渗透率大小对充模时间的影响。在一定范围内，碳纤维渗透率与树脂充模时间成反比，当碳纤维渗透率升高时，树脂充模时间降低，在碳纤维渗透率>1.2时，充模时间趋于稳定，此时对充模时间影响不大。 （2）注射壓力对树脂充模时间的影响。注射压力对RTM成型产品质量和充模时间有着非常重要的影响。通过碳纤维复合材料引擎盖RTM充模仿真可知，树脂注射压力与充模时间成反比，当注射压力逐步增加时，充模时间逐步减少，最后趋于某一稳定值。 （3）注射温度对充模时间的影响。树脂的注射温度直接影响树脂粘度，树脂粘度影响树脂充模时间。树脂注射温度与充模时间成发比，当树脂注射温度升高，树脂粘度就降低，充模时间缩短。 参考文献： [1]国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（20122020年）的通知. http：//www.gov.cn/zwgk/201207/09/content_2179032.htm. [2]吴方贺.碳纤维复合材料发动机罩结构设计与优化[D].吉林：吉林大学，2017，5. |
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