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[其他] 车用非金属部件设计选材优化思路的探讨

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发表于 2020-2-24 09:53:03 | 显示全部楼层 |阅读模式
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车用非金属部件设计选材优化思路的探讨

郑学森 毕芸 王宝昆
(北京福田戴姆勒汽车有限公司技术中心,北京 101400)
摘要:从非金属材料轻量化应用途径入手,对工程塑料、复合材料等汽车非金属材料的特性和应用进行了梳理与汇总,基于零部件的工作条件、开发目标完善了车用非金属材料的性能指标体系,依据非金属材料的应力-应变特性曲线并结合成型工艺、负载条件、使用温度及强度值离散性等因素系统地提出了车用非金属部件设计安全系数的选取原则,并建立了以满足部件功能与结构为主、兼顾成本要素的设计选材开发模型,为汽车工程设计人员在设计选材与优化时提供必要的指导与帮助。
关键词:非金属材料 汽车零部件 轻量化

汽车轻量化,就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下,尽可能地降低汽车的整备质量,从而提高汽车的动力性,减少燃料消耗,降低排气污染。节油、减排、提升性能是汽车轻量化设计的三大目标方向[1]。使用轻质材料是当前实现汽车轻量化的重要途径之一,而以工程塑料、复合材料为代表的非金属材料现已成为汽车轻量化设计的首选材料。

材料是整车系统及其零部件设计的基础,汽车技术的进步有力推动了材料技术的发展。整车系统及其零部件开发时设计选用各种非金属材料,通过与零部件结构、制造工艺的有机结合与合理运用,在给定的性能要求、使用环境及经济条件限制、保证整车性价比的前提下,有效实现零部件和整车轻量化。非金属材料轻量化应用途径主要包括但不局限于以下几种。

a.以塑代钢:如采用高性能复合材料替代弹簧钢生产汽车板簧,采用碳纤维复合材料替代高强度电焊钢管生产汽车传动轴等[2],可实现相应部件高达50%以上的降重幅度。

b.以塑代塑:如采用短玻纤增强PP替代常规SMC生产重卡翼子板,采用低密度SMC替代常规SMC生产重卡导流系统,采用轻质GMT替代麻毡板生产汽车顶棚[3],采用LFT替代短玻纤增强尼龙生产汽车进气管等,这些以塑代塑方法可实现零部件的进一步减重。

c.材料的复合化:通过推广应用新型塑料合金和玻璃钢/复合材料以及多种非金属材料组合,增强非金属材料对零部件功能与结构的适应性,持续拓展非金属材料的轻量化应用深度与广度。

d.发泡技术:通过运用塑料微孔发泡成型[4,5]、泡沫塑料复合成型等新颖工艺技术,进一步降低零部件质量。

e.薄壁化设计:充分利用非金属材料及其工艺的可设计性,通过零部件的薄壁化设计实现降重,如中空结构或泡沫/蜂窝夹芯结构部件的薄壁化设计,承载受力较弱部位的变厚度减薄设计,采用韧性更好的非金属材料对零部件进行减薄设计等。

f.一体化设计:合理运用非金属材料一次性成型特点,通过结构优化实现总成部件的一体化设计与制造,达到轻量化目的。如将重卡SMC前面罩本体和塑料格栅一体化设计,在减少装配数量与工序、降低工装模具开发投入的同时,还可实现总成件的降重降本[6]。

综上所述,通过非金属材料轻量化应用可以实现更多的功能集成,减少零件的接口设计,减少装配零件,增强功能性,具备更好的成本优势。一辆汽车有多达上万个零部件,用于汽车的材料品种和规格多达四千多种,并不存在一种材料完全替代另一种材料的可能,而是特色竞呈、交相辉映。非金属材料的最大特点是可设计性和品种与工艺多样化,设计选用时须从材料、结构、工艺等多维度综合考虑。近年来,随着汽车产量的持续提升和轻量化呼声的不断高涨,工程塑料、复合材料等非金属材料在汽车应用需求越来越大,占比越来越高,但在繁荣景象的背后也要意识到相关问题与风险,主要表现在非金属材料的设计自由度大带来了对零部件功能、结构、成本影响的不可预见性,特别是非金属材料分类分级标准及其管控体系建立的滞后,材料/零部件供应商和主机厂之间又存在供需方面的沟通缺失,导致所选材料在汽车轻量化应用的预期价值目标难以完整体现,失败的应用案例也屡见不鲜。这就要求供需各方加深相互认知,优化设计选材思路,最终实现共赢。


2 常用汽车非金属材料特性分类介绍

当前,汽车非金属材料已经形成了类型多样化,兼顾结构与功能,涵盖传统材料与新型材料的庞大材料体系集群。汽车设计开发人员要做好车用非金属部件设计选材,首先应了解工程塑料、复合材料等非金属材料的基本特性与工艺特性(表1、表2),据此确定概念设计阶段的材料初选范围。

表1 常用工程塑料特性介绍及在汽车应用推介表
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表2 常用复合材料特性介绍及在汽车应用推介表
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3 车用非金属材料性能指标体系

车用非金属部件的设计选材应基于零部件的工作条件、开发目标进行,进而明确材料品种规格和性能指标。除满足受力情况、工作环境和特殊性能要求及工艺性能之外,还应关注法规、环保和成本方面的相关要求。

非金属材料不同于传统的金属材料,其主要结合键是共价键和分子键。由于其分子量很大且大分子间的作用力也达到相当的程度,因此具有一定的力学特性。高分子材料具有密度低(一般在1.0~2.0 g/cm3之间),比强度高,低模量有弹性,绝缘性和耐腐蚀性好,但不耐热、不耐燃,易老化等特征。因此,为了识别非金属材料特性对其零部件失效的影响并将功能与结构需求准确地分解到材料要求中,需要建立有别于金属材料的性能指标体系(表3)。


4 车用非金属部件设计安全系数的选取原则

设计安全系数是机械设计中产品可靠性的一个重要指标,表征的是零件或构件的失效应力与设计应力的比值[7]。设计安全系数的确定主要取决于材料类型与特性,也与产品的复杂程度、种类、寿命周期及可修复性等因素相关。

大多数结构钢和铝合金等金属材料的应力-应变曲线有明显的屈服,这类材料制成的零件或构件的失效应力为屈服极限,即所谓的屈服原则。它们的设计安全系数一般在1.5~2.5范围内选择;针对单纯抗变形而无抗疲劳应用场合的部件,其设计安全系数甚至可降至1.2~2.0之间;而针对动态部件或压力容器等及其他重要安全部件,则应取3.0以上。

而大多数非金属材料的应力-应变曲线没有明显的屈服,这类材料制成的零件或构件的失效应力为强度极限,即所谓的断裂准则。实际应用的非金属材料大多通过无机矿物质填充改性,玻璃纤维、碳纤维等增强改性,呈现出显著的各向异性和非均质性等特点,不像传统金属材料那样有标准的强度值,而且实测离散性很大。绝大部分非金属材料需要通过成型过程才能将其功能特征体现到零部件中,比如说非金属材料的大部分成型过程都存在材料流动取向和熔接痕,存在树脂体系和填充/增强材料体系的分离或积聚,存在增强纤维材料的卷曲、磨损甚至断裂等,这些问题均会导致零部件局部或整体强度下降。

表3 车用非金属材料性能指标类型与项目
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许用应力的选取,应考虑部件或构件的安全荷载并采用适当的安全系数。脆性材料许用应力的计算如下。

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式中,[σ]为许用应力;σb为强度极限;n为设计系数。塑性材料许用应力的计算如下。

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式中,[σ]为许用应力;σs为屈服极限;n为设计安全系数。

非金属部件设计安全系数一般在2.0~5.0基准范围内选择,但实际操作中需做认真分析并综合考虑以下各种因素。

a.对负荷与应力分析计算得准确时,可采用较低的安全系数。

b.非金属材料的质地与尺寸均匀可选用较低的安全系数。

c.针对不同的工艺方法,基于其成型过程导致强度下降的程度,选用不同的安全系数。

d.使用温度较高时,应视所选用树脂基体的热变形温度,选择合理的安全系数。

e.如为长时间负载、冲击负载、疲劳负载的,要降低许用应力,将安全系数提高到5.0~6.0及以上。

f.针对压力容器等及其他可能造成人身伤亡或贵重仪器设备损坏的重要安全部件,要将安全系数提高至6.0~8.0及以上。

g.鉴于非金属材料强度值离散性大及成型过程导致强度下降的可能性,甚至有人提出在选取许用应力时应按其强度极限实测平均值的70%作为计算依据。

设计安全系数在很大程度上需根据设计经验来确定。针对非金属部件的设计安全系数,要酌情处理,不能一味考虑安全性而选得过高,最好以10.0为限,避免不必要的浪费。通常情况下,车用非金属饰件的安全系数在2.0~3.0范围内选择;按HG20640-97《塑料设备》上的规定,塑料真空储罐安全系数按立式储罐取6,卧式储罐取7;树脂基复合材料板簧安全系数取3.2[8],碳纤维复合材料传动轴安全系数取6[9]。


5 车用非金属部件设计选材开发模型建立刍议

以满足部件功能与结构为主,兼顾成本要素,提出如图1所示的非金属部件设计选材开发模型。

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图1 车用非金属部件设计选材开发模型

上述开发模型是一个功能-材料-工艺-结构强关联性的设计选材思路:它基于部件的功能设计,导出对材料、工艺和结构的设计需求,并针对非金属材料及其工艺的可设计性及其特性的特殊性,运用全过程设计预防理念开展全新结构设计和工装模具设计,建立完善检测试验与验证评价方法,运用价值工程分析方法确定最优设计选材方案,最终实现非金属材料应用价值目标的达成。在非金属部件设计选材时,应摒弃以材料替换使用对既有部件结构进行设计修改的传统理念,避免由传统金属部件设计开发惯性思维与认知而带来的部件功能及其管控的缺失,保证新型材料应用价值链渠道畅通无阻。


6 结束语

车用非金属部件设计选材离不开材料与零部件供应商的共同参与。当前,诸多制约汽车非金属材料应用推广的因素依然存在,如非金属材料标准化和材料数据库建设滞后;某些新型与先进材料还存在技术壁垒,信息资源不能共享;非金属材料及其部件整个产业链存在瓶颈,部分材料与零部件存在业内恶性竞争,规模化、产业化程度低,制造成本过高,创新能力与可持续发展不足,等等。

建议汽车开发制造商联合材料加强与零部件供应商及相关机构的多向合作,形成新材料开发研究联合体,以“件、料、机、模、技、测”六位一体的开发模式,构筑材料开发、成型加工、设计、检查一体化的材料系统,形成产业化联盟,实现风险转移与化解,推动汽车非金属材料及其零部件向专业化、标准化、高品质化、环保化方向加速发展。材料供应商要积极推行先期介入服务机制(EVI),介入下游用户的早期研发规划,充分了解用户对原材料性能的要求,联合开展新材料的先行开发与应用研究,为客户提供更高性能的材料和个性化的服务。零部件供应商要重点推进零部件制造产业化改造升级,持续提升过程质量保证能力并降低成本。汽车开发制造商要基于产品平台与特性、模块开发与应用规划强化新材料、新技术先行研究,强化零部件开发的共同设计与同步工程,促进新材料应用价值的最终体现。



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