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[复合材料] 材料表征:更快,更便宜且更好

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发表于 2015-9-21 08:29:15 | 显示全部楼层 |阅读模式
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在于2011年秋季举行的第四十一届年度SPE汽车创新奖竞赛中,最令人感兴趣的参赛技术之一不是一个部件,而是一种材料表征方法。福特汽车公司开发了该技术,并将其用于汽车内饰部件的建模和预测分析中,实现了对汽车内饰更为准确的分析。
        福特汽车公司(以下简称“福特”)的工程团队开发的这种用于汽车内饰部件的建模和预测分析方法,综合应用了多种含有一种专有材料数据的商用分析软件,从而使工程师们能够对分析建模加以改进,以确定采用热塑性塑料或纤维增强热塑性塑料经注塑、吹塑、微发泡或模压等技术成型出的部件的合理性。由此,工程师们可以设计出更接近于所用材料理论极限的内饰部件,以尽可能多地减轻重量(通常可减轻10%~20%的重量),从而改善燃油经济性,减少温室气体的排放。同时,还可节省5%~15%的材料成本(平均每辆车可节省10美元)并为每个开发项目节省多达50万美元的试验费用。此外,福特的分析方法还有助于减少项目开发后期时常出现的因模具更改而导致的昂贵成本,因为按照传统经验,这种后期才更改的模具,往往在接近新车发布时才被制造出来。
        “目前,在一辆典型的乘用车中,塑料材料仅占10%的重量。” 福特北美工程公司驾驶舱及内饰集成运营部门内饰技术负责人Jeff Webb说,“过去,尝试在汽车中增加塑料的重量百分比,要么是以彻底失败而告终,要么重新转向使用钢铁。而此后,这项尝试又对成本提出了要求。”
       

材料表征:更快,更便宜且更好

材料表征:更快,更便宜且更好

        图1 福特先进的材料表征技术允许设计工程师们改进分析建模,以确认采用纯的或增强的热塑性塑料成型的内饰部件的合理性。此图为2011款福特Explorer SUV的驾驶舱(图片来自福特)

        由于绝大多数内饰部件采用的是热塑性塑料,因此当设计师们对由这些材料成型的部件进行建模并对其性能进行分析时,会面临着一些挑战,包括缺乏直接可用的动态数据(如应变率)、受压状态下的负载应变强化、拉伸和剪切、温度、蠕变、负载断裂以及玻璃纤维增强材料的各向异性等,因为高压注射成型工艺适合在熔体流入模具的方向上注入高深宽比的填充料。
        以前,热塑性塑料部件的建模是从供应商的数据表开始的,而供应商的数据表所提供的几乎都只是在流动方向上测得的无变化(单点)的性能属性,并假设在横向流动方向上为各向同性。但遗憾的是,研究始终表明,当使用短玻璃纤维增强材料时,情况并非如此。从与流动方向成90°的角度测得的数据,要比沿流动方向测得的数据低60%。因此,依照数据表提供的属性来建模,可能会导致对整个部件力学性能过度乐观的预测,特别是对一个几何形状极为复杂的部件而言。对此,工程师们要么以较大的安全系数来建模(例如,采用更大的壁厚,但这会增加每个部件的成本和重量),要么选择昂贵且耗时的“make-and-break”方法来决定对材料的使用。同样众所周知的是,尽管数据表中的数据是无变化的,但实际使用中的材料总会受到应变率、温度和负载的影响。因此,如果一名工程师需要评估一个部件在不同的时间、温度、应变率或负载下会有怎样的行为表现,而不是通过一种标准的ISO测试协议来测量试样性能,那么没有直接的方法可以获得需要加入到分析软件中的数据。
        在1980年的中期和后期,当时的GE塑料集团(现在是SABIC创新塑料)曾在多种温度、负载和拉伸条件下测试了流动方向和横向流动方向的材料性能。与作为单一数据点的报告性能不同,GE的工程师们创建了一个拥有上千个数据点(每一个都适用于该公司的数百种材料)的广泛的数据库,他们将这些数据收集到一个被称作“工程设计数据库(简称‘EDD’)”的程序中。专利的运算法使得工程师们可以从测得的数据中插入一些值或进行推断,以评估不同条件下的工程属性。这就提供了一种更加现实的数据,从而能够直接被输入到结构分析软件中。
       

材料表征:更快,更便宜且更好

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        图2 福特的工程师们采用其新方法,对2011款Explorer SUV上的通风叶片的刚性进行了分析(结果见右边曲线)。该分析采用了各向异性修正法,利用Digimat预测最终部件中的纤维取向(图片来自福特)

        这套系统运行良好,而且在当时是理想的选择,但只有使用了GE材料的人才可以拥有它。而对于其他人,这个过程会涉及到评估一种热塑性塑料在真实条件下可能会有怎样的行为表现,而这种真实条件要与标准测试协议下规定的条件完全相同。这一信息被送到一种结构分析软件中,然后部件成型并接受力学测试。这可能会导致昂贵费时的设计结构发生改变,在生成网格或三维实体模型CAD数据后被重新加工。
        而新的福特应用程序,是在最初的计算机辅助工程(简称“CAE”)分析中使用该公司所谓的“材料数据卡(Material Data Cards)”,据说该数据卡含有该公司汽车内饰关键材料的所有先进表征。这些专有数据(由福特利用内部测试资源和外部签约测试能力开发而出)被输入到一个商用模具填充分析软件中,如Moldflow或MoldX3D。这项初步分析为设计提供了指导,即有助于设定壁厚,并指明需要在哪里添加额外的加强结构(如肋)。
        第二步是针对增强塑料的分析,这涉及到Webb所说的预测纤维取向的一种“各向异性修正(anisotropy correction)”方法,该方法采用了Digimat商用软件包,它是一种多尺度建模软件包,由e-Xstream engineering公司(位于比利时Louvain-la-Neuve)开发,用于多相复合材料及结构。这使工程师们可以预测部件任何一处的各向异性材料特性,由此获得的结果被加入到非线性结构分析码中,如Abaqus 或LS-Dyna软件,它们被用于优化部件设计和工艺设置。此分析阶段所标明的更改数据会反馈到CAD数据中,然后完成另一次分析循环过程。
        Webb说:“这些分析工具能以较高的精确度,预测出裂纹的扩展、高应变率特征、各向异性、蠕变性和更多的材料特性。这意味着福特将在其汽车中使用更多的增强塑料并取得更大的成功。”
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发表于 2018-3-1 22:00:05 来自手机 | 显示全部楼层
很好,希望看下更多更好的水性防锈漆资料。
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