汽车复合材料预成型走向工业化：通过仿真实现节省

　　复合材料咨询公司 CIKONI(德国斯图加特)将其专业知识应用于复合材料设计、有限元(FE)分析和高级仿真中，以为自动化的预成型提供解决方案。“通常，预成型被认为是一个被动的过程，通过施压生产出预成型件。”CIKONI的共同创始人Farbod Nezami博士说，“但是用我们的方法，你可以显著提高预成型件的质量，同时还可以减轻重量并改善终部件的性能。”

　　CIKONI方法中的一部分被称作“活性夹层(active interlayers)”。即在预成型件外缘的层之间放上金属板，然后采用压电致动器对这些金属板进行激活，以减小摩擦。当与“离散层的订制夹紧”相结合时，这些活性夹层可以减少或消除形状复杂的预成型件中的褶皱和其他缺陷。这些活性夹层不是终的预成型件中的一部分，而是可以去掉以及重新得到应用。

　　“这种方法并不适合每一种情况。”Nezami建议说，“你需要具有一定程度的设计复杂性，而且有高品质的要求。”虽然夹层并不昂贵，它们只是激光切割的金属板和成本极低的致动器，但对它们的应用却是依靠计算机辅助工程(CAE)的一个多阶段的过程。Nezami解释说：“我们采用基于有限元的悬垂模拟来产生一个成形极限图，这有助于我们识别和评估形成褶皱和(或)纤维波纹的危险区域。”然后，为了只对这些区域进行修复，CIKONI会对这样的排布以及由活性夹层施加的力进行订制化的调整。

　　近的一个案例是CIKONI公司与梅赛德斯-奔驰(德国Sindelfingen)汽车公司围绕一款E级轿跑车型的行李箱盖而展开的合作。图1(上)所示是由活性夹层围绕的机织碳纤维织物预成型件。CIKONI公司完成了悬垂模拟，以确定在0°/90°和±45°的无卷曲织物层上实施省道切割(dart cut-outs)的需要(如图1的a、b所示)。然后，利用后续的成形极限图来设计活性夹层，它们被夹在不同的区域(如图1b中的绿色漏斗)。

　　

　　图1 主动预防褶皱/缺陷：活性夹层是金属板。在预成型过程中，将这些金属板放在外围成型边缘的层之间，采用压电致动器对它们进行激活，以减少摩擦(上)。当与“离散层的订制夹紧”结合时，活性夹层能减少或消除复杂形状预成型件中的褶皱和其他缺陷(左上)。基于悬垂模拟以及后续的成形极限图，即可为生产梅赛德斯-奔驰E级轿跑车行李箱盖的无褶皱预成型件而开发出活性夹层。在0°～90°的无卷曲织物层上应用交叉力，在±45°的无卷曲织物层上应用0°～90°的力(a和b，下左)。CIKONI公司(德国斯图加特)还将活性夹层开发成为一种低成本的自动化预成型系统，用于循环时间3min.的中等产量的部件生产，包括自动化的切割和操作(图片来自CIKONI)

　　“通过迭代模拟，对这些夹紧区域进行测试，然后再进行试验优化。”Nezami说，“我们完全能够去掉初始的纤维波纹，并将褶皱大小从11mm减小到3mm，以使它们只保留在主承载区和可见区域的外部。”尽管Nezami认为活性夹层是用于梅赛德斯-奔驰部件的唯一可能的解决方案，但CIKONI 却将其开发成为一种“能够以3min.的循环时间，实现中等批量的部件生产”的低成本自动化预成型系统，包括自动化的切割和操作。