面向新能源汽车的碳纤维复合材料外板件成型关键技术研究.pdfVIP

摘要

摘要

随着能源问题日益严重，环境问题日益突出，汽车行业的发展受到了严重阻碍，

新能源汽车成为汽车发展的重要方向。受制于新能源汽车电池的比能量较低，短时

间难以攻克，一般通过汽车车身轻量化来增加其续航里程，缓解续航焦虑。碳纤维

复合材料作为高强、轻质复合材料，与传统金属材料相比具有较高的比强度和比模

量，是理想的轻量化材料。连续纤维增强热固性复合材料难以成型复杂的结构形状，

采用连续纤维增强热固性复合材料和热固性塑料复合成型的汽车外板件，既有连续

纤维增强热固性复合材料的力学性能，也有热固性塑料易成型复杂结构的优点。本

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文以汽车保险杠下护板为例，探究热压注塑分区域复合成型工艺的可行性。

首先通过正交各向异性材料的弹性力学基础确定研究所需的碳纤维材料的工程

常数，根据ASTM系列标准制作了碳纤维复合材料力学性能试样，通过拉伸和面

内剪切试验获得了材料的模量、强度、泊松比等力学性能，为后续保险杠下护板纤

维部分的仿真分析提供材料参数。

根据设计要求确定了保险杠下护板的各种受力情况，通过建立塑料保险杠下护

板有限元模型并进行了保险杠下护板的有限元分析，得到了其刚度、模态分析的结

果，将其作为后续优化设计的依据。将保险杠下护板按强度要求分成了碳纤维成型

和塑料成型两部分，按照复合材料铺层设计原则和等刚度原则，设计了保险杠下护

板碳纤维热压成型部分初始铺层方案，结合注塑生产经验，设计了包覆注塑成型的

型腔，并通过弯曲试验验证了结合部分强度满足设计要求，可以进行下一步优化。

建立了保险杠下护板纤维成型部分的铺层模型并进行铺层优化，通过自由尺寸

优化、尺寸优化以及铺层顺序优化三个阶段的优化，得到了最优的铺层区域及顺序。

在相同工况下比较了塑料保险杠下护板、初始铺层方案和优化后的铺层方案的保险

杠下护板纤维部分的各项性能，其性能显著提高，质量减重明显，轻量化效果显著。

通过Moldflow进行了热固性塑料成型部分的包覆注塑成型工艺参数优化研究，

以体积收缩率和翘曲变形量为优化目标，选择注射时间、熔体温度、模具温度和保

压时间四个影响因素，采用最优拉丁超立方试验设计方法结合Moldflow分析得到

20组模拟结果，利用Kriging代理模型和NGSA-II智能优化算法得到最优的注塑工

艺参数组合。经优化得到了保险杠下护板较优的注塑成型工艺参数组合为：注射时

间2.98s、熔体温度85.58℃、模具温度164.77℃、保压时间14.10s。预测的体积

收缩率为6.05%、翘曲变形量10.55mm，体积收缩率和翘曲变形量的预测值与实

1%

际模拟值的误差均小于。

I

河北科技大学硕士学位论文

关键词碳纤维复合材料；轻量化；保险杠下护板；铺层优化；包覆注塑成型

II

Abstract

Abstract

Withtheincreasinglyseriousenergyproblemsandenvironmentalproblems,the

developmentoftheautomobileindustryhasbeenseriouslyhindered,andnewenergy

vehicleshavebecomeanimportantdirectionofautomobiledevelopment.Subjecttothe

lowspecificenergyofnewenergyvehiclebatteries,itisdifficulttoovercomeinashort

time,anditisgenerallypossible