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        2024年3月16日 行業動態:
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        專題論述

        熱塑性復合材料在汽車車身結構件上的應用開發

        發布時間:2024/3/1 14:47:12 來源:復材網

        汽車作為重要的交通工具,在家庭出行等方面發揮著重要的作用?,F階段,隨著人們生活質量的提升和對生活品質的更高追求,其對汽車的性能等有了新的要求。為了滿足大眾的需要,汽車企業積極進行汽車設計與開發,不斷地在材料、設計方式等方面狠下功夫?,F如今,汽車輕量化成為汽車設計的主要方向,而汽車輕量化目標的實現必須要完成材料的創新,因此要在汽車車身結構構件開發的應用過程中積極尋找具有輕量化目標和質量化標準要求的材料。熱塑性復合材料與傳統的材料相比性能更加優越,且可以達到汽車輕量化目標,所以其在目前的汽車車身結構構件應用開發方面已有應用。文章就熱塑性復合材料在汽車車身結構件上的應用開發進行分析,以期為相關學者提供參考。

        在技術持續發展的大環境下,我國的汽車產業獲得了飛速的發展??偨Y現階段我國汽車產業的持續發展,其面臨的主要問題為能源安全與節能減排?,F如今,國家出臺了一系列的政策與法規,目的是要對汽車的能耗以及排放指標等進行限制,而要真正地解決汽車能耗問題,還是要從汽車輕量化入手。碳纖維復合材料的機械性能十分優異,且其抗疲勞性能要明顯地優于金屬的密度條件,所以在汽車輕量化實踐中碳纖維材料應該作為首選[1]。

        對目前的市場進行總結,90%以上的汽車在使用碳纖維復合材料的時候利用的是熱固性樹脂體系,這類材料在后續回收利用等方面存在著問題,而熱塑性碳纖維復合材料則可以很好地解決這一問題。連續纖維增強熱塑性復合材料的機械性能更加的突出,且目前已經實現了成型。不過受到工藝特性的限制,一些特殊結構的成型要求還沒辦法滿足。在現階段的該問題解決中,主要采用的是注塑成型的方式,但是這種方式成型的制品機械性能并不理想。模壓工藝和注塑工藝有各自的優勢,如果將其進行結合,并以連續纖維增強熱塑性復合材料作為骨架,然后通過注塑成型的方式來進行復雜結構的成型,這樣,熱塑性復合材料在汽車車身構件中的利用會更加的顯著。

        1 熱塑性復合材料

        要在汽車車身構件設計開發的過程中充分利用熱塑性復合材料,首先需要對熱塑性復合材料有全面的認知和了解。就定義而言,所謂的熱塑性復合材料指的是以熱塑性樹脂作為基體,以各種纖維為增強材料而制成的復合材料。對熱塑性復合材料的類別劃分進行分析,按照樹脂基體和復合之后的性能,熱塑性復合材料主要分為兩大類:(1)高性能復合材料,其以優良纖維增強高性能熱塑性樹脂,比如碳纖維、芳綸纖維、聚苯硫醚等均屬于高性能復合材料,這類材料的比強度和比模量較高,能夠在200℃以上長期使用[2]。(2)通用型復合材料,其指的是以玻纖及制品增強一般通用的熱塑性樹脂,比如目前廣泛使用的PP、PE、PVC 等均屬于這一類材料。

        在實踐中要強調熱塑性復合材料的有效利用,還需要對熱塑性復合材料的特性進行了解。就目前的實踐研究來看,熱塑性復合材料具有6 大特性:(1)其密度小,強度高,機械性能更加優越。(2)具備性能可設計性。和熱固性復合材料進行比較,熱塑性樹脂的種類更多,能夠選擇的區間更大,所以其具有更好的設計性。另外,熱塑性復合材料的物理、化學性能可以基于具體的要求通過合理的材料選擇和工藝利用來實現。(3)耐熱性好。熱塑性復合材料的耐熱性一般維持在100℃左右,不過在用玻纖增強后熱塑性材料的使用溫度會極大地提升?,F如今在實踐中利用的高性能熱塑性復合材料,其耐熱能夠達到250℃以上[3]。(4)耐化學腐蝕性。復合材料的耐化學腐蝕性和基體材料的特性是有密切關系的,耐腐蝕性比較好的熱塑性樹脂種類是比較多的,所以在實踐中可以選擇耐腐蝕性比較好的熱塑性樹脂作為基體材料,這樣,熱塑性復合材料的耐化學腐蝕性會顯著提升。(5)電性能。復合材料的電性能與樹脂基體、增強材料的性能有關,所以在實踐中可以基于使用要求來進行性能設計。(6)加工性能。熱塑性復合材料的工藝性能要明顯地優于熱固性復合材料,而且其能夠實現多次成型,還可以實現廢料的回收利用。

        2熱塑性復合材料在汽車車身結構件上的應用開發

        從上文分析的結果來看,熱塑性復合材料的優勢是十分突出的,其在汽車車身結構件上的應用開發勢必會解決汽車輕量化問題,所以積極討論熱塑性復合材料的具體應用與開發,這對于實踐問題的解決有積極的指導意義,以下是結合實踐對熱塑性復合材料的應用開發總結。

        2.1 模壓-注塑座椅橫梁的選材設計

        以某中型汽車為例進行分析,其車座的橫梁主要由三部分構成,分別是前座椅前橫梁、前座椅后橫梁以及后座椅橫梁。就前座椅后橫梁為例進行分析,其主要構成為3 部分,具體為橫梁本體、左側加強件以及后側的加強件。該零件的結構為傳統鈑金結構,即3個獨立的鈑金件被焊接在了一起,同時利用螺接的方式實現與座椅的連接,其是比較典型的車身梁類結構,其總質量為1.85kg。

        對模壓-注塑混合結構進行分析,其為了讓模壓層和注塑層之間的界面性能得到保證,在模壓區域和住宿區域需要選用相同的樹脂體系。對常用的一些熱塑性樹脂進行分析,部分材料的流行性是比較差的,其無法滿足注塑成型過程中充模的具體要求,而且材料成本偏高,所以不再考慮范圍[4]。對流動性能比較好的材料進行對比分析,PA6 所具有的性價比最高,而且在性能等各個方面均能夠滿足汽車零部件的實際需要,所以PA6 可以作為首選的樹脂材料。

        在增強纖維的選擇方面,主要常用的有玻璃纖維與碳纖維。從成本角度進行考慮,玻璃纖維的價格比較低,不過其拉伸模量也比較低。相比于玻璃纖維,碳纖維的強度以及模量都非常高,不過其價格太高,所以其目前還不符合汽車成本控制的要求。對不同纖維增強復合材料的性能進行對比,玻纖增強PV6 的拉伸強度要遠遠高于原來的鈑金件,但是其拉伸模量卻不足鋼材的三分之一?;诘葎偠仍O計條件,將零部件的厚度增加至原來鈑金厚度的3 倍以上,這雖然能夠解決拉伸模量的問題,但是卻無法滿足輕量化需要。這個時候考慮碳纖維,一切問題可以迎刃而解[5]。需要注意的是,碳纖維的成本過高,所以也不是最優方案,可以考慮通過結構筋的形式進行零部件的性能提升,基于此,較大程度地替換連續纖維增強PV6 材料,可以達到減重降本的目標?;诰唧w的目標,在剛度條件滿足的情況下將零部件的主材料選擇為PV6,并混合部分碳纖維增強PV6 材料,這樣可以使零部件的整體剛度獲得提升。在材料確定之后利用玻纖-PV6 注塑筋做局部的剛度補充,這樣可以將模壓-注塑座椅橫梁的選材方案進行確定。

        2.2 模壓-注塑座椅橫梁的結構設計

        對模壓-注塑座椅橫梁結構設計進行分析,其主要包括了集成設計、變厚度設計和連接結構設計,以下是具體的內容。

        首先是集成設計。對原始的座椅橫梁鈑金件進行分析可知其主要為橫梁主體、左側加強件和右側加強件,同時還包括了2 個焊接螺母以及1 個焊接加強版。對各個部件之間的連接方式進行分析,其為焊接。當改變為模壓-注塑復合材料結構之后,原來需要單獨制作的6 個零部件會變被簡化為1 個零部件。在進行注塑的時候,螺母可以預埋在零部件上[6]。分析集成設計,橫梁上部為模壓結構,其主要的作用和荷載,同時與周圍的零部件做連接。橫梁的下部為注塑結構,其是對零部件剛度的一種補強。

        其次是變厚度設計。對復合材料座椅橫梁做變厚度設計,主要的做法是將在復合材料結構使用之后增加鋪層的厚度,實現性能要求的滿足。在橫梁的中間區域,主要構成是橫梁本體,其為單層鋼板結構,剛度比較低,所以可以減少鋪層的厚度,這樣能夠達到材料質量降低與成本控制的目的[7]。通過變厚度設計對復合材料橫梁的總體質量進行劑量,其只有1.23kg,和原來的鈑金件相比,減重達到了30%以上。

        最后是連接結構的設計。在替換為復合材料之后,座椅橫梁無法和地板以及周邊的零部件做焊接,所以采用膠粘的方式。對膠粘這種連接方式進行分析,其不僅在滿足零部件結構連接性能方面有比較好的效果,在復合材料與鋼材的界面隔離方面也有不錯的作用,其能夠有效地降低CFRP 和鋼材接觸部分發生電化學腐蝕風險[8]。另外,膠層還能夠發揮協同作用,這對于車體內部的噪聲降低等有積極意義。

        3 熱塑性復合材料在汽車車身結構件上的應用開發

        熱塑性復合材料在汽車車身結構件上的應用開發具體獲得了哪些效果,還需要通過試驗分析進行比較。就目前的部分試驗結果來看,其效果主要體現在如下方面。

        3.1 汽車開發的成本控制問題

        在汽車研發的過程中,成本高居不下一直困擾著汽車企業。對汽車研發進行分析,在整個過程中,材料的選擇和利用對成本控制有重要的影響。傳統的鈑金件結構在汽車成本控制方面有效果,但是鈑金件的利用卻難以滿足目前的汽車設計輕量化目標。碳纖維復合材料在汽車生產中的利用不僅可以將汽車零部件的整體性能進行提升,還能夠實現汽車輕量化目標,但是碳纖維復合材料的成本過高,超過了企業的成本控制標準[9]?;谄嚦杀究刂坪洼p量化目標的實現,強調熱塑性復合材料的利用,并重視模壓-注塑成型方式的具體利用,這樣,在一般的熱塑性復合材料中進行少量的碳纖維增加便可以增強零部件的整體性能,同時還可以實現輕量化目標??梢哉f,熱塑性復合材料在汽車成本控制方面的效果是顯著的。

        3.2 汽車性能效果

        對利用熱塑性復合材料設計開發的汽車車身結構件的具體性能進行檢測,從檢測的結果來看,結構件的各方面性能和鈑金件的各方面性能存在著比較大的差異,而且明顯是利用熱塑性復合材料設計開發的汽車車身結構件性能更加優越,這說明熱塑性復合材料的優勢是非常明顯的,而且其產品的性能優勢也是非常顯著的,這為熱塑性復合材料在汽車工業中的廣泛推廣和利用打下了堅實的基礎[10]。

        3.3 材料處理方面

        在汽車車身結構件生產加工的過程中,受工藝等影響,不可避免地會出現一些廢棄材料。這些廢棄材料如果能夠實現有效回收和利用,那么其便可以“變廢為寶”。對熱塑性復合材料的具體使用進行分析,這類材料和熱固性復合材料相比,其固化周期更短,而且更容易收集,所以在實踐中,熱塑性復合材料能夠實現集中的回收再利用,對于解決廢棄物等問題有積極意義,這對于汽車企業的成本控制工作也有顯著效果[11]。

        綜上所述,現階段的試驗表明熱塑性復合材料的性能是十分優越的,所以其在交通、航天等領域有著十分重要的應用。結合目前的交通行業發展實踐,立足于汽車的輕量化目標實現對熱塑性復合材料的開發和利用,尤其是在汽車車身結構件設計和開發的過程中,強調熱塑性復合材料的利用,并對比熱塑性復合材料的實際應用效果,這可以為材料的持續推廣和使用提供參考與指導,從而使熱塑性復合材料的應用價值獲得更好的發揮。




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