天然纤维复合材料发盖的设计与开发

   日期:2019-12-26     来源:汽车材料网    评论:0       [ 进入汽车材料社区 ] [ 汽车材料馆 ]
核心提示:在汽车设计中,出于行人保护的安全性设计已成为汽车制造的关键点之一。在碰撞过程中,一般行人头部受冲击的影响最大。因此,汽车发动机罩盖的结构设计和材料选择需要重点考虑其在碰撞过程中的吸能表现。
   前言
  
  在汽车设计中,出于行人保护的安全性设计已成为汽车制造的关键点之一。在碰撞过程中,一般行人头部受冲击的影响最大。因此,汽车发动机罩盖的结构设计和材料选择需要重点考虑其在碰撞过程中的吸能表现。
  
  本项目研究了玻璃纤维、碳纤维、洋麻纤维增强复合材料制造发动机罩盖,同时对发盖内板进行结构优化设计,分析了圆锥形、矩形和三角形框架结构内板的性能表现。结果表明,圆锥形内板结构与常规结构相比具有更高的刚度,与三角形和矩形结构相比具有更高的可变形行。且圆锥形内板结构具有更好的吸能性,可以减少碰撞中的伤害。
  
  SKODA某车型的发盖设计
  
  碰撞过程中的头部保护
  
  通常,车身结构采用具有较好吸能性的金属板制造,可减少车辆在撞击发动机罩盖期时对行人产生的撞击力。发盖在设计时需要考虑发盖与发盖下方发动机舱组件之间的间隙,最大不超过10厘米,以免碰撞时头部受到严重伤害。同时,可以考虑选用适当的材料来减小发盖用金属板的厚度,从而增加能量吸收能力。
  
  天然纤维材料的选用
  
  洋麻是印度和亚洲国家种植较多的一种植物,其主要成分包括纤维素(44-67 wt%)、半纤维素(20.9 wt%)、木质素(7.5-14 wt%)和果胶(2-6 wt%)。本项目选用洋麻纤维作为混合复合材料的增强纤维,其具有良好的冲击力和拉伸强度,可用于汽车行业的各种组件。不同纤维材料的性能对比如下表:
  
  复合材料发盖的结构设计
  
  发盖由厚度为0.25mm的三层结构组成。其中顶层为环氧树脂,中间层为洋麻纤维,底层是碳纤维环氧树脂。其结构如上图所示。通过几何建模进行二次结构设计,设计了圆锥形、矩形和三角形三种内板结构,具体如下图所示。
  
  对三种不同结构形式的发盖内板进行受力分析,基于变形理论的应力分布如下图所示。

  
  不同结构发盖的受力情况模拟
  
  发盖的结构设计需要考虑质量、能量分布、刚度和阻尼性等。可以通过添加具有阻尼特性的层结构来改善发盖的性能。例如向面板添加具有粘合剂的粘弹性层,该粘弹性层与面板一起移动并消散振动。本研究中,洋麻纤维层则起到阻尼层的作用,可添加适当的碳纤维或者E玻纤来增加其刚性。阻尼层在收到振动时会产生剪切应变,从而向粘弹性层施加额外的力,并在面板碰撞过程中发生变形时帮助其固定。此外,约束层的刚度和粘弹性层的损耗因数对阻尼行为有效。
  
  使用Ansys软件对各种类型的发盖面板进行了振动性能分析。在该分析中,观察到在每种结构都有一个变形,这称为模态变形,模态变形和固有频率可通过Ansys程序控制。基于此,对三角形罩盖进行了模态分析,具体如下:

  
  采用Ansys软件对不同结构内板承受冲击载荷时的应力和变形情况进行分析,结果显示,圆锥形和矩形结构的总变形量较大,而三角形结构的变形量非常小,仅为0.77。具体数据如下表:
 
标签: 复合材料 发盖
 
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