中年|本特勒碳纤维/铝型材混合材料A柱的设计与开发
本特勒与德国帕德博恩大学合作开发了一种基于仿真分析的混合材料设计方法 ， 该方法可对由金属和纤维增强复合材料制成的混合组件进行应力优化和设计 。
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【中年|本特勒碳纤维/铝型材混合材料A柱的设计与开发】
背景
环保法律对减少温室气体（二氧化碳）排放的要求日益严格 ， 不仅迫使汽车制造商进入电动汽车领域 ， 而且要求他们使用更高效率的内燃机、混合动力系统和更加轻量化的汽车 。 近年来 ， 碳纤维增强复合材料（CFRP）的研发和使用已较为广泛 ， 在实现轻量化的同时也实现了小规模量产 。 尽管该材料具有出色的轻量化特性 ， 但其也具有许多不容忽视的缺点 ， 例如生产过程中的高CO2排放、有限的可回收性和较高的生产成本 。
当将纤维增强复合材料系统地使用并进行适应负荷的设计时 ， 其在设计中的轻量化潜力尤其明显 。 但是纤维增强复合材料具有各向异性 ， 只有在沿纤维方向施加应力时 ， 复合材料具有较好的机械性能 。 因此 ， 一般需要采用不同方向的多层铺层来实现各向同性 。 常见的有0°/±45°/90°方向的铺层 。
本项目采用了一种适应性更高的设计方法：即纤维增强复合材料仅用作单向带 ， 并在单个方向上承载主要的应力；其余的应力由各向同性的金属材料承载 ， 从而形成了一种高性能混合材料 ， 如图1所示 。
该方法的主要挑战是在各种可能的碰撞载荷中 ， 确定主要的应力方向 。 一旦提供了这些信息 ， 就可以将纤维带集成在金属部件上 ， 并以此创建满足混合动力要求的定制混合结构 ， 从而满足整车的总体负荷要求 。 基于此设定的计算方法如图2 。
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碰撞分析
采用2012款丰田凯美瑞车型进行设计验证 ， 在几种典型的车辆碰撞模型中进行碰撞载荷的评估 。 将评估限制在碰撞相关的结构件上 ， 并使用临界应力值的阈值以减少需要评估的数据量 。 获得工况计算的结果后对所有相关元素进行计算 ， 通过产生的应力方向评估纤维在取向方面的适用性 。
基于应力优化的结构件开发
选择A柱和前车顶框架作为研究对象 ， 这些组件显示出很高的单轴性 ， 并且是刚性乘客舱的一部分 。 这些都是有效使用CFRP的先决条件 。
开始时 ， 考虑车顶框架的安装空间和相关的负载情况进行拓扑优化 ， 通过有限元模型进行评估 ， 得出的最优方案为碳纤维增强复合材料单向带与挤压铝型材进行混合应用 。 基于单轴性加权分析的混合材料零部件设计方法如图3 。
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A柱的下部被设计为壳体结构 ， 钢板经加压实现弯曲 ， 允许A柱进行固定连接 。 得益于SWOPtec专利连接技术 ， 可通过常规的电阻点焊来实现铝型材与钢板之间的连接 。 该过程中 ， 将预涂层的钢元件冲压到铝连接构件中 。 前车顶框架使用本特勒的Flash Forming Forming Process专利技术制造铝板部件 。 前车顶框架和A柱的连接是使用由铝制挤压型材制成的节点建立的 ， 该节点已通过拓扑优化适应了负载路径 ， 具体如图4 。
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通过仿真分析和相关试验对混合材料A柱性能进行测试 ， 如图5 。 结果表明 ， 与2012款丰田凯美瑞的原型结构相比 ， 混合材料A柱的重量减轻了27% ， 同时提供了更好的碰撞安全性 。 与满足当今碰撞要求的性能相当的PHS钢相比 ， 还可以减轻46%的重量 。
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成本和环境分析
在车辆零部件的设计和优化时 ， 不仅要考虑重量 ， 还要考虑部件整个生命周期的生产成本和对环境的影响 。 混合材料A柱的相关分析如图6所示 。 以每年生产60,000辆汽车计算 ， 相较于混合材料A柱来说 ， 铝合金A柱的成本低36% ， PHS钢制A柱的成本低54% 。 但当车型数量较少时 ， 这种成本优势将会降低 ， 这意味着对于小批量产品来说 ， 混合材料设计在经济上仍然可实现 。
生态环境分析方面 ， 以150,000km行驶里程的燃油车整个生命周期（以2012款Toyota Camry车型为例）计算 ， 混合材料A柱在生产阶段CO2排放量与铝合金A柱相当 ， 但比钢制A柱要高 。 但在使用阶段 ， 混合材料A柱CO2排放量明显降低 。 通过使用阶段降低CO2的补偿效应 ， 在大约100,000公里后 ， 混合材料A柱达到了与钢制A柱相同的收支平衡点 。 在整个生命周期中 ， 混合材料A柱的CO2排放量比铝合金A柱低11% ， 比钢A柱低15% 。
对于电动车 ， 生产阶段的CO2排放与燃油车类似；而在使用阶段和回收 ， 混合材料A柱要略低于铝合金A柱；钢制A柱则在全生命周期内都实现了最佳的二氧化碳排放量 。
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总结和展望
本项目通过识别在不同碰撞场景中具有高单轴应力分量的组件的分析工具 ， 实现了各向异性的纤维增强复合材料单向带和各向同性的金属材料的混合设计 。 这使得CFRP的使用成本进一步低且资源效率较高 。 尽管如此 ， 混合材料部件的成本仍明显高于常规材料部件 ， 这些较高的成本是否合理 ， 应视具体情况而定 。
当测试结果应用于电动汽车时 ， 整个汽车生命周期内的二氧化碳排放都发生了变化 ， 钢材成为更有利的材料 。 可再生能源的增加将使生产和循环利用阶段在未来变得越来越重要 ， 从而使可持续材料和零部件概念设计的发展变得更加重要 。
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