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奥迪多材料轻量化电动车车身设计解读

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-06-07  来源:中国汽车材料网   [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:奥迪多材料轻量化电动车车身设计解读
摘要:

奥迪联合19个工业和科研合作伙伴,研究如何在大规模生产中有效实施多材料轻量化设计。为此,工程师们开发了一种新的技术 -面向轻量化的车身概念,以满足电动汽车强加的特定要求。

一、基于规模化生产下多材料车身设计项目背景

SMiLE项目(System-Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-Mobility)旨在创建高效轻量化设计的大规模生产流程的背景下更好地了解多材料设计的问题。采用轻量化设计,该项目致力于开发一种新型的面向技术的车身概念,以满足电动车特殊的要求。


 

关键的重点在于使用新材料和材料组合来减少功能集成车辆部件的重量,以实现创新的结构概念。材料和工艺开发涉及优化和验证,将金属和非金属材料系统作为零件也是验证的一部分,还包括开发适用于材料的连接技术,以及降低工艺温度的喷涂技术-所谓的165°C过程。


 

该项目的一个重要特点是它考虑到了整个产业链的合作,涉及原材料、零部件和整车企业,这样更利于技术的推广以及全价值链的分析。


 

项目合作伙伴包括Audi, Volkswagen and Volkswagen Group Research, Porsche, Voith, BASF, Brökelmann, Clean-Laser systeme, Dieffenbacher, Fraunhofer ICT, Fraunhofer IWM, Frimo, University of Stuttgart/IFU, TU Bergakademie Freiberg/Institute of metal Forming, TUBraunschweig/ifs, KIT/Fast, KIT/IAM, KIT/WBK, Thyssenkrupp,Novelis等


 

在多材料结构中,每个部件都采用符合要求的合理选材,从而实现轻量化设计理念的系统化实施。而且必须考虑连接技术或生产可行性。


 

二、多材质车身设计开发

目前的车辆开发侧重于带有电动动力传动系统的车辆。然而,电池电动车辆对于规划车身结构提出了新的挑战。高压电池系统需要对环境进行特殊保护,尤其对于人来说。因此,在开发车身体时安全是优先考虑的方面。

该项目的主要目标是开发可用于新型多材料车身结构的技术。出于这个原因,过程还涉及识别零件和总成的性能评价。


 

例如,减震器采用集成铝压铸部件,以便与车体进行经济高效的耐腐蚀连接。车辆地板分为“前”和“后”两部分,然后用于检查制造技术,而不是部署连续的纤维增强热固性塑料。车门槛是由重型铝型材制成的单一部分。车辆没有经典的隧道。提供200公里范围内的能量存储单元位于前排座椅(前部电池模块)和后部座椅工作台(后部电池模块)下方。图1显示了预设计阶段后的身体形状。

                                             


 

FIGURE 1
 

Body concept with focal areas for technological development (© Audi)


 

表1中的模拟采用有限元方法来设计车身结构。该模型还针对每个负载情况进行了优化,以符合特定的目标值。 最后,在所有负荷情况下评估这些优化方案参数设置,并在优化循环中减少车身重量。 然后计算208千克体重作为身体结构整合电池外壳的最终值 - 与同类车辆相比,轻量化效果明显。

TABLE 1

Overview of crash load cases (MDB: Mobile Deforming Barrier, MRB: Mobile Rigid Barrier, ODB: Offset Deforming Barrier, SOB: Small Overlap Barrier) (© Volkswagen Group Research)

在图2中给出了用于“ODB正面碰撞”和“小偏置碰”负载情况的车身变形情况示例。乘客舱的入侵量低于法规要求。与此同时,车辆框架仍然保持完好,特别是由碳纤维增强热固性塑料(CFRP)制成的前部车辆地板,尽管存在很小(裂缝)损坏。为了保护电池系统,详细研究了侧面柱碰。检查了不同的极点位置,但未发现异常。

FIGURE 2

Result of the Euro-NCAP ODB crash simulation (left) and of the small overlap crash simulation (right) (© Volkswagen Group Research)


 

图3显示电池外壳(棕色)在色谱柱撞击后仍未损坏。 整个碰撞能量消散在门槛型材中,部分消耗在车辆地板上。 这是通过在大规模的计算环路中优化组件来实现的。 重点在于确定铝型材的几何尺寸(内壁的位置和厚度),以及适用于负载路径和生产的纤维复合材料部件的层结构。

FIGURE 3
 

Result of the “pole side impact” crash simulation; YZ-sectional view of the column impact position (© Volkswagen Group Research)


 

三、碳纤维复合材料(CFRP)地板模块集成设计

奥迪在其模块化跑车系统平台(MSS,Audi R8)中进行的开发工作表明,集成功能和组件是使用纤维复合材料实现低成本轻量化设计的重要出发点。通过将座椅下部横向构件集成为用于结构集成的电池外壳的上部载荷路径,CFRP地板模块进一步遵循了这一概念。


 

奥迪开发了超RTM概念,通过以树脂传递模塑(RTM)工艺来生产整体纤维增强聚合物(FRP)夹层组件。模腔压力控制注射工艺允许压力稳定性有限的泡沫芯的可重复加工。作为该项目的一部分,静水压试验台被开发用于测定RTM工艺条件下聚合物泡沫芯的抗压强度。超RTM技术使用CFRP地板模块进行了验证,并确认符合目的。


 

从技术角度而言,该项目旨在利用热固性塑料基体开发CFRP部件的技术和工艺,每个工作日可生产300件零件。横梁对其夹层结构和集成载荷施加元件以及针对载荷进行优化的层结构提出了特别困难的挑战。考虑到每个组件的投资成本以及耗时的工作步骤(如组件修整)可能降低,生产更大的模块具有商业吸引力。


 

整体CFRP地板零件的几何结构和层结构来自整个车辆的计算。开发针对切割和性能优化的预成型件布局(图4),该工艺还为每个预成型件提供了负载优化的层结构。除了传统的NCF纺织品之外,还考虑了福伊特的直接纤维铺放系统,应用整齐的压条实现近净形状的预成型件。通过悬垂模拟确定的纤维取向反馈到结构模拟中,以确保预测的质量尽可能准确。作为功能整合的另一方面,还测试了高压应力连接的各种插入概念的特征组合。


 

FIGURE 4

Development process of the CFRP floor module with integrated design: from drape simulation to offcut-optimized preforming concept (© Audi)


 

具有结构上集成的电池外壳的车身重量为208千克。CFRP部件采用超RTM工艺生产。 生产方法要求多层次切割,堆叠和预成型预成型件以及预成型件组装。 由于部分增强带有UD贴片的各个子预成型件,层切割之后必要进行堆叠过程。 UD修补程序的简单几何结构带来了95%的材料利用率水平。包括工艺表面在内的整个组件的切口约为15%。RTM工具设计由超RTM模具填充模拟支持。这是第一次,这个过程可以使用模具填充模拟进行描述,见图5.这涉及考虑层结构,泡沫芯的流动,部分厚度的局部变化以及由具有可变模制间隙的压力控制注射和压缩阶段导致的纤维体积含量的变化。

FIGURE 5

Ultra-RTM mold-filling simulation with Open Foam: fiber volume content at 0.7 mm mold gap (left), mold-filling after 15 s injection time at 140 g/s volume flow (center) and calculated pressure and mold gap progress with pressure control at 20 bar in the injection and compression phase (right) (© KIT/FAST)


 

使用20 bar的模内压力峰值在5分钟的循环时间产生组件。 地板模块共重12.1千克,包括850克的泡沫芯和50%的纤维体积含量。

使用建立的虚拟过程链来评估组件成本。 与钢结构相比,带有门槛,CFRP前地板模块和结构化集成电池支架的组件的重量节省44%。


 

四、纤维增强塑料(LFT-D)FRP混合地板模块

具有热塑性基体和玻璃纤维增强材料的可持续纤维增强材料是一类至关重要的材料。项目中开发的混合FRP地板模块在设计自由度和功能整合方面显示出巨大潜力。连续纤维增强热塑性塑料在纤维方向上表现出出色的机械性能。

长纤维增强热塑性塑料(LFT)的优点是流动性好,因此相关的设计以及直接加工(D-LFT)情况下的能量利用效率也较好[5]。使用“先进定制D-LFT工艺”将两种材料级别相结合,将开发热塑性玻璃钢组件带入新的水平。

后部车辆模块(图6)包括三个基本组件:由UD胶带制成的大面积层压板,由D-LFT成型材料制成的加强肋结构,金属嵌件和工艺集成连接铝型材。广泛的D-LFT设计自由度允许通过形成负载路径优化的肋结构来实现由D-LFT和UD磁带制成的智能碰撞管理系统。

FIGURE 6 
 

Thermoplastic FRP hybrid floor module consisting of process-integrated joined aluminum profiles, a laminate made from continuous, fiber-reinforced UD tape and a ribbing structure made from D-LFT (© Audi, KIT/FAST simulations)


 

除了生产过程之外,重要的开发工作还包括提高模具中热UD带的悬垂行为的预测质量以及D-LFT成型材料的流动行为。过程模拟已被验证作为组件样本验收过程的一部分。在组件设计中也考虑了由此产生的纤维取向问题的影响。


 

为了使用“属地化先进定制的D-LFT工艺”生产混合FRP后部车辆模块,首先将铝型材固定在上部模具中。然后将预热的固化UD带和两根热D-LFT线材放置并压入模具中。术语“局部定制”来自使用由UD带制成的定制的预固结基层压板,其具有负载路径适当的纤维取向,并且使用D-LFT肋条的纯局部增强,而没有围绕基层的大规模流动通过液压推进滑板的方法。工艺链实现组件的生产周期小于1分钟。


 

混合FRP后部车辆模块的热塑性GFRP /金属复合材料结构与仅使用钢材的结构相比可实现25%的重量减轻,而轻质结构的成本却非常诱人。尽管使用碳纤维可以使重量减半,但出于成本原因和生命周期评估的考虑,故使用玻璃纤维。

五、该项目重点关注的技术

新材料和材料组合需要开发新的连接技术。在该项目中,使用半空心铆钉对低韧性和高强度合金对自冲铆接技术进行了进一步开发。成形过程中由反作用力产生的抗压强度允许较少韧性材料的无损接合。反作用力也减少了板的挠曲,从而改善了铆接阶段上部组件的材料分离。与传统的自穿孔半空心铆钉相比,这大大扩展了适用范围。


 

此外,低温涂层工艺的发展前景看好?这归功于165℃的阴极浸渍涂层(CDC)温度降低,从而为混合结构的改进和结构改进铺平了道路。 模拟被用于研究在低温CDC工艺期间所需的铝的硬化,这需要合金替代一些合金。

六、总结

该项目的结果表明,通过创新的多种材料组合可以实现电动汽车的轻质车身。车身概念设计模型符合电动车辆目前的所有碰撞要求。与传统钢结构相比,重量显着减轻。


 

生产大型功能集成模块的选择策略证明了提高由纤维增强材料制成部件成本效益的方法是实用的。 目目标的实现得益于全新的Ultra-RTM工艺和先进的局部定制的D-LFT工艺,以及降低工艺温度的喷涂技术和新的连接技术。

来源:Springer
 

作者: DR. ING. MARTIN HEINZ KOTHMANN

DR. ING. ANDREAS HILLEBRAND

DIPL. ING. GÜNTER DEINZER

中国汽车材料网翻译整理
 

 
 
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