汽车用高性能一体化夹芯筋部件研制
摘要：本文针对汽车减轻重量、降低成本以及提高其安全性和可靠性，就轻质高性能夹芯复合材料典型部件采用真空辅助树脂注射模塑工艺（RTM）成型技术进行研究，促使复合材料在重型卡车工业化生产上的应用，实现高性能复合材料大型结构件的低成本制造。
1 前 言
复合材料适应于交通运输行业轻量、高速、安全、节能、降低污染的发展趋势，一直被发达的汽车工业视为车辆结构的理想材料。福特公司所做的研究阐述了复合材料在车辆领域应用的可行性。该报告表明，复合材料可以将零部件减为原来的80%，加工费用相对钢材降低60%，粘结费用相对焊接减少25~40%，且复合材料结构表现出极好的韧性和抗冲撞性能。SMC和BMC技术迅速发展成熟，并在车辆制造业得到了广泛应用。但是对于车用大型异型夹芯、加筋结构件，性能要求较高，采用上述工艺存在着难以逾越的技术障碍。目前，发达RTM工艺以及先进液体模塑技术已经迅速发展起来。SCRIMP是近几年开发的、用以制作高强复合材料的一种室温真空辅助树脂传递模塑技术。针对新一代重型卡车、高速列车、城市轨道交通车辆等领域对复合材料部件高性能低成本的要求，在许多大型复合材料构件中，采用芯材在层板中形成空心或在不需要大幅度增加层板蒙皮厚度的情况下获得较高的刚度。本文所介绍的汽车用大型部件是采用SCRIMP工艺成型的夹芯筋复合材料。
2 实 验
2.1 结构设计
典型的汽车发动机覆盖件如图1所示，利用ANSYS有限元应用软件对产品CAD模型进行有限元网格划分，见图2。
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2.2 原材料选择
树脂基体：为适应预成型多层织物对树脂流动；阻力大、渗透系数小的特点，树脂注射时的粘度不能太大，易于流动和浸渍纤维，选用适合SCRIMP注射成型的金陵帝斯曼P6-988KR。
增强材料：选用强度高，树脂浸润性好，成本低廉，可靠性好，来源方便的450g/m2复合毡。
胶衣：为保证制品光洁度，以及制品颜色，根据需要选用不同颜色的成品胶衣。
脱模剂：采用高效脱模剂XTEND802，一种气干型的外脱模剂，在固化后会在模具表面形成一层半永久性涂层，从而达到重复使用的效果。
夹芯筋：采用聚氨酯发泡料作为夹芯筋，它具有重量轻，不变形，强度好等优点。
2.3 成型工艺
为提高生产效率，降低成本，所研制的夹芯筋部件采用SCRIMP工艺。详细工艺过程见图3。
2.4 性能测试
对试验件主要进行了密度、压缩强度、外观、尺寸的测试，并对试验件进行了实际装配，与金属部件进行对比，考核复合材料构件的适用性。
3 结果分析
3.1 夹芯筋优化设计
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按其产品材料属性和使用性能要求，利用AN-SYS有限元应用软件对其进行静力学性能分析，其分析结果如表1。由表1可知，制品在使用过程中变形挠度大值达34.17mm，易因变形过大而破坏，需对产品进行加筋以提高其刚度。
利用Ansys有限元软件进行制品结构优化设计，初步设计加一道加强筋，加强筋采用聚氨酯泡沫材料。优化结果确定加强筋放置的佳位置，如图4所示，此时的力学结果见表2。加筋后制品的刚度有明显提高，其大挠度由原来的34.17mm降到了7.58mm，而制品的大工作应力也由原来的13.79MPa降到7.84MPa，制品的使用性能得到明显改善。
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3.2 芯筋材料预处理
在许多复合材料构件中，常采用芯材在层板中形成空心或在不需要大幅度增加层板蒙皮厚度的情况下获得较高的刚度。在SCRIMP工艺过程中，为满足高强度、高刚度和轻质结构件的应用要求，主要选用的芯材是结构（多孔）泡沫和合成泡沫。
在模塑温度范围内，泡沫的压缩强度必须足以抵抗增强材料的压力和流体的注射压力，以免芯材扭曲变形。硬质热固性泡沫具有较高的热变形温度，可承受模压过程中增强材料的压缩和流体压力，以及固化过程中较高的放热温度。随着纤维体积分数或流动速率的增加，芯材重量也需要增加，因而必须使用高密度的泡沫。常用的聚氨酯泡沫密度为0.1~0.15g/cm3。常用的方法是预先制备净形泡沫模塑件或浇铸体，在模塑前与纤维预成形体组合起来。树脂以二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)配方供选用。硬质聚氨酯泡沫是一种性能优越的高分子合成材料，具有密度小、强度高、粘接性强、成型和施工都方便等特点。但是也存在耐热性较差，受热膨胀等问题。
我们对多家公司提供的原材料进行了实验对比，选出一个公司的原材料所生产的泡沫质量好，尺寸稳定性好，能够很好的用于复合材料夹芯结构，如表3所示。从表3可以看出，所选原材料生产的泡沫在不高于100℃的情况下，几乎不膨胀。
3.3 高性能一体化夹芯筋部件
本设计已经在东风-II前发动机翻覆盖件和T90覆盖件上获得实际应用，并批量生产。原方案是采用金属薄板的冲压件，由主覆盖件、左右翼子板、前面罩四个部分组成，内部采用斜拉梁加强，如图5所示。改用复合材料方案后，我们采用整体一次成型，利用前面罩加强筋替代内部斜拉金属梁，使前面罩变成双层空心结构，从而提高整体刚度，而且内部加强筋采用聚氨酯泡沫夹芯材料。复合材料制品将零部件由原来4部分减为一个整体，见图6，加工费用和粘结费用比原方案显著降低，且复合材料结构比金属件具有更好的韧性和抗冲撞性能。[-page-]
4 结 论
(1) 利用ANSYS有限元应用软件对制品进行优化设计能够显著提高制品结构效率；
(2)采用合适的聚氨酯夹芯筋预埋在SCRIMP制品中，在制品重量不增加的前提下，刚度提高了5倍；
(3)复合材料代替金属材料在车用领域的应用，符合汽车和列车行业轻量、高速、安全、节能、舒适以及多功能低成本的发展方向。
1 前 言
复合材料适应于交通运输行业轻量、高速、安全、节能、降低污染的发展趋势，一直被发达的汽车工业视为车辆结构的理想材料。福特公司所做的研究阐述了复合材料在车辆领域应用的可行性。该报告表明，复合材料可以将零部件减为原来的80%，加工费用相对钢材降低60%，粘结费用相对焊接减少25~40%，且复合材料结构表现出极好的韧性和抗冲撞性能。SMC和BMC技术迅速发展成熟，并在车辆制造业得到了广泛应用。但是对于车用大型异型夹芯、加筋结构件，性能要求较高，采用上述工艺存在着难以逾越的技术障碍。目前，发达RTM工艺以及先进液体模塑技术已经迅速发展起来。SCRIMP是近几年开发的、用以制作高强复合材料的一种室温真空辅助树脂传递模塑技术。针对新一代重型卡车、高速列车、城市轨道交通车辆等领域对复合材料部件高性能低成本的要求，在许多大型复合材料构件中，采用芯材在层板中形成空心或在不需要大幅度增加层板蒙皮厚度的情况下获得较高的刚度。本文所介绍的汽车用大型部件是采用SCRIMP工艺成型的夹芯筋复合材料。
2 实 验
2.1 结构设计
典型的汽车发动机覆盖件如图1所示，利用ANSYS有限元应用软件对产品CAD模型进行有限元网格划分，见图2。
[-page-] 2.2 原材料选择
树脂基体：为适应预成型多层织物对树脂流动；阻力大、渗透系数小的特点，树脂注射时的粘度不能太大，易于流动和浸渍纤维，选用适合SCRIMP注射成型的金陵帝斯曼P6-988KR。
增强材料：选用强度高，树脂浸润性好，成本低廉，可靠性好，来源方便的450g/m2复合毡。
胶衣：为保证制品光洁度，以及制品颜色，根据需要选用不同颜色的成品胶衣。
脱模剂：采用高效脱模剂XTEND802，一种气干型的外脱模剂，在固化后会在模具表面形成一层半永久性涂层，从而达到重复使用的效果。
夹芯筋：采用聚氨酯发泡料作为夹芯筋，它具有重量轻，不变形，强度好等优点。
2.3 成型工艺
为提高生产效率，降低成本，所研制的夹芯筋部件采用SCRIMP工艺。详细工艺过程见图3。
2.4 性能测试
对试验件主要进行了密度、压缩强度、外观、尺寸的测试，并对试验件进行了实际装配，与金属部件进行对比，考核复合材料构件的适用性。
3 结果分析
3.1 夹芯筋优化设计
[-page-] 按其产品材料属性和使用性能要求，利用AN-SYS有限元应用软件对其进行静力学性能分析，其分析结果如表1。由表1可知，制品在使用过程中变形挠度大值达34.17mm，易因变形过大而破坏，需对产品进行加筋以提高其刚度。
利用Ansys有限元软件进行制品结构优化设计，初步设计加一道加强筋，加强筋采用聚氨酯泡沫材料。优化结果确定加强筋放置的佳位置，如图4所示，此时的力学结果见表2。加筋后制品的刚度有明显提高，其大挠度由原来的34.17mm降到了7.58mm，而制品的大工作应力也由原来的13.79MPa降到7.84MPa，制品的使用性能得到明显改善。
[-page-] 3.2 芯筋材料预处理
在许多复合材料构件中，常采用芯材在层板中形成空心或在不需要大幅度增加层板蒙皮厚度的情况下获得较高的刚度。在SCRIMP工艺过程中，为满足高强度、高刚度和轻质结构件的应用要求，主要选用的芯材是结构（多孔）泡沫和合成泡沫。
在模塑温度范围内，泡沫的压缩强度必须足以抵抗增强材料的压力和流体的注射压力，以免芯材扭曲变形。硬质热固性泡沫具有较高的热变形温度，可承受模压过程中增强材料的压缩和流体压力，以及固化过程中较高的放热温度。随着纤维体积分数或流动速率的增加，芯材重量也需要增加，因而必须使用高密度的泡沫。常用的聚氨酯泡沫密度为0.1~0.15g/cm3。常用的方法是预先制备净形泡沫模塑件或浇铸体，在模塑前与纤维预成形体组合起来。树脂以二苯基甲烷-4，4’-二异氰酸酯(MDI)或甲苯二异氰酸酯(TDI)配方供选用。硬质聚氨酯泡沫是一种性能优越的高分子合成材料，具有密度小、强度高、粘接性强、成型和施工都方便等特点。但是也存在耐热性较差，受热膨胀等问题。
我们对多家公司提供的原材料进行了实验对比，选出一个公司的原材料所生产的泡沫质量好，尺寸稳定性好，能够很好的用于复合材料夹芯结构，如表3所示。从表3可以看出，所选原材料生产的泡沫在不高于100℃的情况下，几乎不膨胀。
3.3 高性能一体化夹芯筋部件
本设计已经在东风-II前发动机翻覆盖件和T90覆盖件上获得实际应用，并批量生产。原方案是采用金属薄板的冲压件，由主覆盖件、左右翼子板、前面罩四个部分组成，内部采用斜拉梁加强，如图5所示。改用复合材料方案后，我们采用整体一次成型，利用前面罩加强筋替代内部斜拉金属梁，使前面罩变成双层空心结构，从而提高整体刚度，而且内部加强筋采用聚氨酯泡沫夹芯材料。复合材料制品将零部件由原来4部分减为一个整体，见图6，加工费用和粘结费用比原方案显著降低，且复合材料结构比金属件具有更好的韧性和抗冲撞性能。[-page-]
4 结 论
(1) 利用ANSYS有限元应用软件对制品进行优化设计能够显著提高制品结构效率；
(2)采用合适的聚氨酯夹芯筋预埋在SCRIMP制品中，在制品重量不增加的前提下，刚度提高了5倍；
(3)复合材料代替金属材料在车用领域的应用，符合汽车和列车行业轻量、高速、安全、节能、舒适以及多功能低成本的发展方向。
