汽車用高性能一體化夾芯筋部件研制
摘要：本文針對汽車減輕重量、降低成本以及提高其安全性和可靠性，就輕質高性能夾芯復合材料典型部件采用真空輔助樹脂注射模塑工藝（RTM）成型技術進行研究，促使復合材料在重型卡車工業化生產上的應用，實現高性能復合材料大型結構件的低成本制造。
1 前 言
復合材料適應于交通運輸行業輕量、高速、安全、節能、降低污染的發展趨勢，一直被發達的汽車工業視為車輛結構的理想材料。福特公司所做的研究闡述了復合材料在車輛領域應用的可行性。該報告表明，復合材料可以將零部件減為原來的80%，加工費用相對鋼材降低60%，粘結費用相對焊接減少25~40%，且復合材料結構表現出極好的韌性和抗沖撞性能。SMC和BMC技術迅速發展成熟，并在車輛制造業得到了廣泛應用。但是對于車用大型異型夾芯、加筋結構件，性能要求較高，采用上述工藝存在著難以逾越的技術障礙。目前，發達RTM工藝以及先進液體模塑技術已經迅速發展起來。SCRIMP是近幾年開發的、用以制作高強復合材料的一種室溫真空輔助樹脂傳遞模塑技術。針對新一代重型卡車、高速列車、城市軌道交通車輛等領域對復合材料部件高性能低成本的要求，在許多大型復合材料構件中，采用芯材在層板中形成空心或在不需要大幅度增加層板蒙皮厚度的情況下獲得較高的剛度。本文所介紹的汽車用大型部件是采用SCRIMP工藝成型的夾芯筋復合材料。
2 實 驗
2.1 結構設計
典型的汽車發動機覆蓋件如圖1所示，利用ANSYS有限元應用軟件對產品CAD模型進行有限元網格劃分，見圖2。
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2.2 原材料選擇
樹脂基體：為適應預成型多層織物對樹脂流動；阻力大、滲透系數小的特點，樹脂注射時的粘度不能太大，易于流動和浸漬纖維，選用適合SCRIMP注射成型的金陵帝斯曼P6-988KR。
增強材料：選用強度高，樹脂浸潤性好，成本低廉，可靠性好，來源方便的450g/m2復合氈。
膠衣：為保證制品光潔度，以及制品顏色，根據需要選用不同顏色的成品膠衣。
脫模劑：采用高效脫模劑XTEND802，一種氣干型的外脫模劑，在固化后會在模具表面形成一層半永久性涂層，從而達到重復使用的效果。
夾芯筋：采用聚氨酯發泡料作為夾芯筋，它具有重量輕，不變形，強度好等優點。
2.3 成型工藝
為提高生產效率，降低成本，所研制的夾芯筋部件采用SCRIMP工藝。詳細工藝過程見圖3。
2.4 性能測試
對試驗件主要進行了密度、壓縮強度、外觀、尺寸的測試，并對試驗件進行了實際裝配，與金屬部件進行對比，考核復合材料構件的適用性。
3 結果分析
3.1 夾芯筋優化設計
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按其產品材料屬性和使用性能要求，利用AN-SYS有限元應用軟件對其進行靜力學性能分析，其分析結果如表1。由表1可知，制品在使用過程中變形撓度大值達34.17mm，易因變形過大而破壞，需對產品進行加筋以提高其剛度。
利用Ansys有限元軟件進行制品結構優化設計，初步設計加一道加強筋，加強筋采用聚氨酯泡沫材料。優化結果確定加強筋放置的佳位置，如圖4所示，此時的力學結果見表2。加筋后制品的剛度有明顯提高，其大撓度由原來的34.17mm降到了7.58mm，而制品的大工作應力也由原來的13.79MPa降到7.84MPa，制品的使用性能得到明顯改善。
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3.2 芯筋材料預處理
在許多復合材料構件中，常采用芯材在層板中形成空心或在不需要大幅度增加層板蒙皮厚度的情況下獲得較高的剛度。在SCRIMP工藝過程中，為滿足高強度、高剛度和輕質結構件的應用要求，主要選用的芯材是結構（多孔）泡沫和合成泡沫。
在模塑溫度范圍內，泡沫的壓縮強度必須足以抵抗增強材料的壓力和流體的注射壓力，以免芯材扭曲變形。硬質熱固性泡沫具有較高的熱變形溫度，可承受模壓過程中增強材料的壓縮和流體壓力，以及固化過程中較高的放熱溫度。隨著纖維體積分數或流動速率的增加，芯材重量也需要增加，因而必須使用高密度的泡沫。常用的聚氨酯泡沫密度為0.1~0.15g/cm3。常用的方法是預先制備凈形泡沫模塑件或澆鑄體，在模塑前與纖維預成形體組合起來。樹脂以二苯基甲烷-4，4’-二異氰酸酯(MDI)或甲苯二異氰酸酯(TDI)配方供選用。硬質聚氨酯泡沫是一種性能優越的高分子合成材料，具有密度小、強度高、粘接性強、成型和施工都方便等特點。但是也存在耐熱性較差，受熱膨脹等問題。
我們對多家公司提供的原材料進行了實驗對比，選出一個公司的原材料所生產的泡沫質量好，尺寸穩定性好，能夠很好的用于復合材料夾芯結構，如表3所示。從表3可以看出，所選原材料生產的泡沫在不高于100℃的情況下，幾乎不膨脹。
3.3 高性能一體化夾芯筋部件
本設計已經在東風-II前發動機翻覆蓋件和T90覆蓋件上獲得實際應用，并批量生產。原方案是采用金屬薄板的沖壓件，由主覆蓋件、左右翼子板、前面罩四個部分組成，內部采用斜拉梁加強，如圖5所示。改用復合材料方案后，我們采用整體一次成型，利用前面罩加強筋替代內部斜拉金屬梁，使前面罩變成雙層空心結構，從而提高整體剛度，而且內部加強筋采用聚氨酯泡沫夾芯材料。復合材料制品將零部件由原來4部分減為一個整體，見圖6，加工費用和粘結費用比原方案顯著降低，且復合材料結構比金屬件具有更好的韌性和抗沖撞性能。[-page-]
4 結 論
(1) 利用ANSYS有限元應用軟件對制品進行優化設計能夠顯著提高制品結構效率；
(2)采用合適的聚氨酯夾芯筋預埋在SCRIMP制品中，在制品重量不增加的前提下，剛度提高了5倍；
(3)復合材料代替金屬材料在車用領域的應用，符合汽車和列車行業輕量、高速、安全、節能、舒適以及多功能低成本的發展方向。
1 前 言
復合材料適應于交通運輸行業輕量、高速、安全、節能、降低污染的發展趨勢，一直被發達的汽車工業視為車輛結構的理想材料。福特公司所做的研究闡述了復合材料在車輛領域應用的可行性。該報告表明，復合材料可以將零部件減為原來的80%，加工費用相對鋼材降低60%，粘結費用相對焊接減少25~40%，且復合材料結構表現出極好的韌性和抗沖撞性能。SMC和BMC技術迅速發展成熟，并在車輛制造業得到了廣泛應用。但是對于車用大型異型夾芯、加筋結構件，性能要求較高，采用上述工藝存在著難以逾越的技術障礙。目前，發達RTM工藝以及先進液體模塑技術已經迅速發展起來。SCRIMP是近幾年開發的、用以制作高強復合材料的一種室溫真空輔助樹脂傳遞模塑技術。針對新一代重型卡車、高速列車、城市軌道交通車輛等領域對復合材料部件高性能低成本的要求，在許多大型復合材料構件中，采用芯材在層板中形成空心或在不需要大幅度增加層板蒙皮厚度的情況下獲得較高的剛度。本文所介紹的汽車用大型部件是采用SCRIMP工藝成型的夾芯筋復合材料。
2 實 驗
2.1 結構設計
典型的汽車發動機覆蓋件如圖1所示，利用ANSYS有限元應用軟件對產品CAD模型進行有限元網格劃分，見圖2。
[-page-] 2.2 原材料選擇
樹脂基體：為適應預成型多層織物對樹脂流動；阻力大、滲透系數小的特點，樹脂注射時的粘度不能太大，易于流動和浸漬纖維，選用適合SCRIMP注射成型的金陵帝斯曼P6-988KR。
增強材料：選用強度高，樹脂浸潤性好，成本低廉，可靠性好，來源方便的450g/m2復合氈。
膠衣：為保證制品光潔度，以及制品顏色，根據需要選用不同顏色的成品膠衣。
脫模劑：采用高效脫模劑XTEND802，一種氣干型的外脫模劑，在固化后會在模具表面形成一層半永久性涂層，從而達到重復使用的效果。
夾芯筋：采用聚氨酯發泡料作為夾芯筋，它具有重量輕，不變形，強度好等優點。
2.3 成型工藝
為提高生產效率，降低成本，所研制的夾芯筋部件采用SCRIMP工藝。詳細工藝過程見圖3。
2.4 性能測試
對試驗件主要進行了密度、壓縮強度、外觀、尺寸的測試，并對試驗件進行了實際裝配，與金屬部件進行對比，考核復合材料構件的適用性。
3 結果分析
3.1 夾芯筋優化設計
[-page-] 按其產品材料屬性和使用性能要求，利用AN-SYS有限元應用軟件對其進行靜力學性能分析，其分析結果如表1。由表1可知，制品在使用過程中變形撓度大值達34.17mm，易因變形過大而破壞，需對產品進行加筋以提高其剛度。
利用Ansys有限元軟件進行制品結構優化設計，初步設計加一道加強筋，加強筋采用聚氨酯泡沫材料。優化結果確定加強筋放置的佳位置，如圖4所示，此時的力學結果見表2。加筋后制品的剛度有明顯提高，其大撓度由原來的34.17mm降到了7.58mm，而制品的大工作應力也由原來的13.79MPa降到7.84MPa，制品的使用性能得到明顯改善。
[-page-] 3.2 芯筋材料預處理
在許多復合材料構件中，常采用芯材在層板中形成空心或在不需要大幅度增加層板蒙皮厚度的情況下獲得較高的剛度。在SCRIMP工藝過程中，為滿足高強度、高剛度和輕質結構件的應用要求，主要選用的芯材是結構（多孔）泡沫和合成泡沫。
在模塑溫度范圍內，泡沫的壓縮強度必須足以抵抗增強材料的壓力和流體的注射壓力，以免芯材扭曲變形。硬質熱固性泡沫具有較高的熱變形溫度，可承受模壓過程中增強材料的壓縮和流體壓力，以及固化過程中較高的放熱溫度。隨著纖維體積分數或流動速率的增加，芯材重量也需要增加，因而必須使用高密度的泡沫。常用的聚氨酯泡沫密度為0.1~0.15g/cm3。常用的方法是預先制備凈形泡沫模塑件或澆鑄體，在模塑前與纖維預成形體組合起來。樹脂以二苯基甲烷-4，4’-二異氰酸酯(MDI)或甲苯二異氰酸酯(TDI)配方供選用。硬質聚氨酯泡沫是一種性能優越的高分子合成材料，具有密度小、強度高、粘接性強、成型和施工都方便等特點。但是也存在耐熱性較差，受熱膨脹等問題。
我們對多家公司提供的原材料進行了實驗對比，選出一個公司的原材料所生產的泡沫質量好，尺寸穩定性好，能夠很好的用于復合材料夾芯結構，如表3所示。從表3可以看出，所選原材料生產的泡沫在不高于100℃的情況下，幾乎不膨脹。
3.3 高性能一體化夾芯筋部件
本設計已經在東風-II前發動機翻覆蓋件和T90覆蓋件上獲得實際應用，并批量生產。原方案是采用金屬薄板的沖壓件，由主覆蓋件、左右翼子板、前面罩四個部分組成，內部采用斜拉梁加強，如圖5所示。改用復合材料方案后，我們采用整體一次成型，利用前面罩加強筋替代內部斜拉金屬梁，使前面罩變成雙層空心結構，從而提高整體剛度，而且內部加強筋采用聚氨酯泡沫夾芯材料。復合材料制品將零部件由原來4部分減為一個整體，見圖6，加工費用和粘結費用比原方案顯著降低，且復合材料結構比金屬件具有更好的韌性和抗沖撞性能。[-page-]
4 結 論
(1) 利用ANSYS有限元應用軟件對制品進行優化設計能夠顯著提高制品結構效率；
(2)采用合適的聚氨酯夾芯筋預埋在SCRIMP制品中，在制品重量不增加的前提下，剛度提高了5倍；
(3)復合材料代替金屬材料在車用領域的應用，符合汽車和列車行業輕量、高速、安全、節能、舒適以及多功能低成本的發展方向。
