Двери из термопласта впервые для автомобильных композитов

Автопроизводители и производители автомобилей первого уровня борются с необходимостью снизить массу автомобиля для достижения целей по экономии топлива и выбросам углерода. Композиционные материалы могут внести значительный вклад в этот толчок к облегчению во многих областях, но стоимость, проблемы с дизайном, незнакомая обработка и конкуренция со стороны других материалов продолжают создавать препятствия. Чтобы преодолеть это, во многих проектах исследуется, как композиты могут быть интегрированы в автомобильные конструкции из различных материалов для получения максимальной выгоды.

Один проект, посвященный тому, как композиты могут уменьшить автомобильные несущие конструкции, осуществляется Центром композитов Университета Клемсона (Клемсон, Южная Каролина, США), Международным центром автомобильных исследований Университета Клемсона (CU-ICAR) и Honda R&D Americas (Раймонд, Огайо). , США) при поддержке Центра композитных материалов Университета Делавэра (CCM, Ньюарк, Делавэр, США) и финансировании Министерства энергетики США (DOE, Вашингтон, округ Колумбия, США).

По словам главного исследователя, доктора Сриканта Пилла, профессора автомобильной инженерии Дженкинса и научного сотрудника декана в Клемсоне, основной задачей проекта является вопрос о том, могут ли композиты позволить сверхлегким системам закрытия - дверям, капотам, крышкам багажников - работать. дополняют одновременные достижения в области технологий трансмиссии и улучшенной аэродинамики:«В портфеле технологий для облегчения веса большая часть« низко висящих плодов »уже реализована, например, уменьшение габаритов двигателя. Мы считаем, что есть потенциал повышения эффективности в области несущих систем перекрытия конструкций по разумной цене ».

Сотрудничество, сплоченность - ключ к успеху

Четырехлетний проект, начавшийся в 2016 году, возник по инициативе Министерства энергетики и был частью серии грандиозных вызовов администрации Обамы, направленных на дальнейшее развитие науки и техники по многим темам, включая соблюдение стандартов выбросов автомобилей. В запросе предложений запрашивалось проектирование и разработка автомобильной двери, которая обеспечивает снижение веса на 42,5% по сравнению со стандартной дверью OEM, сохраняя при этом аналогичные характеристики при столкновении с ударом, долговечность и эффективность использования / неправильного использования, а также аналогичные характеристики шума, вибрации и резкости (NVH). . И, независимо от того, как была спроектирована легкая дверь, в ней должны были использоваться коммерчески доступные системы материалов и масштабироваться до объемов производства не менее 20 000 автомобилей в год.

Компания Honda присоединилась к проекту в качестве OEM-консультанта исследовательского проекта, потому что проект соответствовал «нашему видению создания в конечном итоге общества без выбросов», - говорит Скай Малкольм, главный инженер Фонда перспективного планирования и проверки транспортных средств в Honda R&D Americas. Honda также добавила в проект свои собственные ограничения, добавляет он:«Дизайн двери, который будет разработан командой, должен использовать ту же геометрию уплотнения, иметь все то же функциональное оборудование, что и базовая дверь, обеспечивать отделку класса A, неотличимую от базовым уровнем и соответствовать требованиям Honda по долговечности и старению ». Команда поставила перед собой дополнительную цель - сделать дверь на 100% пригодной для вторичной переработки. Возможно, наиболее важным является то, что Министерство энергетики установило максимальную допустимую стоимость за фунт сэкономленного веса (сверх базовой двери) в размере 5 долларов. Это означало, что для типичного Acura MDX дверь весом 31,8 кг, снижение веса на 42,5% приведет к общему целевому весу до 18,3 кг, что (при 5 долл. США за фунт сэкономленного веса) означает, что композитная дверь может только добавить 150 долларов к стоимости двери.

Поддержку Пилле в этом проекте оказывают несколько студентов и аспирантов, д-р Ганг Ли, профессор инженерной механики в Клемсоне, и д-р. Базл Хак и Шридхар Ярлагадда из Университета Делавэра CCM, эксперты в области композитных материалов из нескольких материалов. Ярлагадда, соучредитель проекта, отмечает:«Honda была неотъемлемой частью наших усилий и обеспечила исключительный уровень сотрудничества и приверженности нашей программе, включая поддержку вычислений HPC и доступ к инженерам Honda по всему спектру. Для создания приемлемой конструкции системы проектирование, производство и интеграция композитных компонентов должны сочетаться с рядом ориентированных на заказчика «мягких» требований, а это было бы невозможно без поддержки Honda ». Это мнение разделяют и другие члены команды, добавляет Пилла:«Простая замена материала не была решением. Нам нужно было использовать системный подход, и Honda помогла нам понять все элементы дверной системы вплоть до уровня компонентов. Действительно, их партнерство и участие не имеют себе равных ».

Дизайн новой двери

Первоначальный анализ включал в себя сравнительный анализ усилий других производителей оборудования по облегчению закрытия для моделей ограниченного рынка, включая алюминиевую дверную коробку Audi для его A8 модель Porsche Panamera дверная рама из магния и BMW i8 Дверная коробка из термореактивного материала, армированного углеродным волокном. Однако ни один из этих предыдущих подходов OEM не соответствовал целям этого проекта по стоимости или весу. Пилла говорит:«Я хотел быть частью чего-то, что принесет пользу в будущем, что будет способствовать циркулярной экономике. Дверь из термопласта раньше не применялась, и ее можно будет утилизировать ». В сочетании с другими материалами-кандидатами, включая термореактивные композиты, алюминий и сталь, термопласты предлагали не только возможность вторичной переработки, но и очень высокий потенциал для облегчения и высокой скорости обработки (по сравнению с термореактивными пластиками) для достижения производственных целей.

С оригинальной Acura MDX дверь в качестве основы (рис. 1), команда разбила ее состав материала:62% металла, 21% жесткого чистого полимера, 13% стекла и 4% эластомера. Наибольшие возможности для уменьшения веса, 60%, будут предоставлены металлической дверной рамой, которую команда намеревалась снизить с базового веса в 15,4 кг до целевого веса в 6,2 кг. Хотя не было возможности уменьшить вес внутренних компонентов двери и электроники (радио-динамик, сервопривод для подъема и опускания окна, дверной замок и т. Д.), Команда решила, что вес оконного стекла можно уменьшить на 20%, что, возможно, сделает стекло тоньше, но без ущерба для целевых показателей NVH и долговечности. Кроме того, по оценкам специалистов, вес элементов отделки на внутренней поверхности двери можно уменьшить на 30% или даже полностью исключить.

Первые два года основные задачи проекта выполнялись одновременно. Одни члены команды работали над созданием данных о материалах, другие - над особенностями конструкции дверей. Группа данных по материалам собрала данные испытаний материалов для различных термопластов - непрерывных лент, матов, армированных короткими и длинными волокнами полимеров и др. - для определения возможных материалов для внутренней рамы и внешней панели; материалы были предоставлены рядом отраслевых партнеров-поставщиков. Данные были оценены с помощью паутинных диаграмм, где по осям диаграммы были указаны общая прочность, сопротивление сдвигу, допустимая стоимость, допустимая плотность, жесткость и ударная вязкость.

Наиболее эффективные варианты материалов после первоначальной оценки данных - ленты из непрерывных волокон и термопластические гранулы, армированные длинными волокнами, - подверглись моделированию материала, объясняет Пилла:«Было возможно сконструировать простую матрицу жесткости ортотропного материала для лент из непрерывных волокон на основе формулы Гука. закон." Однако для длинного армированного волокном полимера потребовалось вторичное моделирование, чтобы спрогнозировать прочность и жесткость детали двери, изготовленной литьем под давлением, из-за анизотропии, вносимой как геометрией конечной детали, так и процессом заполнения формы. Пилла добавляет:«Моделирование этих длинноволокнистых материалов затруднено, потому что по моделированию сделано не так много». Чтобы собрать необходимые данные, команда разработала цикл оптимизации производства. Типовые формы деталей для внутренней рамы двери и внешней панели были созданы с помощью программного обеспечения для 3D-проектирования SolidWorks от Dassault Systémes (Уолтем, Массачусетс, США); моделирование заполнения формы этих форм было проведено для определения векторов течения расплава с помощью программного обеспечения Moldex3D от Moldex (город Чупей, Тайвань); динамика потока расплава и сглаживание были проанализированы для определения ориентации волокна с помощью программного обеспечения Digimat от e-Xstream (Hautcharage, Люксембург, компания Hexagon); сопоставленные ориентации волокон использовались для создания матрицы жесткости с использованием инструментов анализа методом конечных элементов (FEA), включая карты материалов, предоставленные компанией Altair Engineering Inc. (Трой, Мичиган, США) CAE-решением HyperWorks. По мере изменения форм деталей и тестирования материалов цикл оптимизации повторялся несколько раз.

Параллельно с этим другие члены команды работали над реальной концепцией дверей и, в конечном итоге, над моделированием инструментов и производства. Начиная с черновых набросков и тщательного подбора материалов, был создан ряд дизайнов. Затем были сгенерированы приблизительные модели САПР, а также начальное моделирование методом FEA для простых статических нагрузок. Осенью 2016 года, говорит Пилла, в CU-ICAR был проведен семинар по дизайну, на котором команда сузила количество вариантов концепции дверей до семи для дальнейшей работы. «Наша философия дизайна с самого начала заключалась в максимальной функциональной интеграции деталей и материалов, минимизации количества деталей, максимальной эффективности используемых материалов за счет оптимизации и упрощения сборки», - говорит Пилла.

На этом этапе были сгенерированы подробные модели CAD, и для каждой концепции было выполнено моделирование FEA, чтобы проверить статические характеристики в соответствии с целями Honda. Принимая во внимание технологичность и интеграцию подсистем, Концепция 7 (подход с пространственным каркасом) начала сближаться с Концепцией 2 (цельный структурный каркас), поэтому команда решила продолжить работу с Концепцией 2, включив уроки, извлеченные из подхода с использованием пространственных каркасов. . Эта концепция состоит из четырех элементов:внешней панели класса A, внутренней части двери, внутренней рамы или панели и элементов внутренней отделки.

Внутренняя часть из нескольких материалов, внешний вид класса А

Команда выбрала материалы и производственные процессы для окончательного дизайна двери в середине 2018 года, а 15 января 2019 года проект был заморожен; начато изготовление оснастки и изготовление прототипов. На рис. 2 показаны детали внутреннего каркаса толщиной 1,2 мм и его компонентов (внешняя панель класса A не показана). «Поясная линия» относится к стилизованной линии, образованной нижним краем оконного стекла, где были размещены ребра жесткости для поддержки формованных композитных панелей. Пилла отмечает, что противовзломная балка для защиты пассажиров в случае бокового удара должна была остаться из стали, чтобы снизить общий вес двери - композитная балка с такими же характеристиками была бы слишком тяжелой. Одним из ключевых элементов конструкции является система крепления внутреннего каркаса к внешней панели. Пилла объясняет:«Внешняя панель класса A будет прикреплена к двери в конце сборочной линии, что позволит сотрудникам легко установить внутренние детали двери заранее, а также предотвратить любое повреждение поверхности класса A во время сборки». Он добавляет, что литые защелкивающиеся элементы на внутренней раме регулируются, чтобы учесть производственные допуски в направлении Y, добавляет он, в то время как прорези для металлических креплений помогают компенсировать производственные допуски в направлениях X и Z во время сборки.

Чтобы помочь снизить вес, в нынешнем дизайне дверей нет обычной внутренней обшивки. Вместо этого было разработано несколько функциональных формованных деталей, в том числе кармашек для карт, изготовленный методом литья под давлением, подлокотник из натурального дерева, отформованный с обратной стороны из АБС-пластика, и некоторые кожаные набивки, ламинированные пеной. Вместе эти части весят 1,34 кг по сравнению с базовой внутренней панелью - 3,49 кг. Пилла говорит, что команда рассчитывает сэкономить больше веса за счет оптимизации дизайна.

В настоящее время проводится анализ и оптимизация FEA для моделирования как статических нагрузок, так и динамических ударных нагрузок, которые должна выдержать композитная дверь. Сами по себе статические нагрузки устрашают и включают в себя прогиб двери, жесткость пояса, жесткость крепления зеркала, жесткость дверной ручки и многое другое. Испытание динамической нагрузкой, по словам Пиллы, на данный момент состоит из квазистатического испытания на столб 214 Федерального стандарта безопасности транспортных средств (FMVSS), при котором дверь автомобиля сдавливается внутрь шестом (который не касается крыши и кузова) на 18 дюймов. при этом соблюдаются все минимальные требования к усилиям:«Этот случай является наименее ресурсоемким по сравнению с двумя другими краш-тестами [75 ° FMVSS 5 ^th Процентильный женский тест (AF5) на полюс и тест Страхового института для оценки критериев бокового удара безопасности дорожного движения (IIHS SICE)]. Это позволит нам проводить больше дизайнерских экспериментов и циклов оптимизации ».

Ган Ли добавляет:«Интеграция моделирования процесса производства композитных материалов и структурных характеристик с алгоритмами оптимизации является одновременно интересной и сложной задачей. Хотя проблема заключается в сложности системы и масштабе вычислений, такая интеграция объединяет возможности проектирования конструкций, материалов и производственного процесса и предоставляет нам больше возможностей для облегчения и повышения производительности ». Он добавляет, что соответствие этой испытательной нагрузке на столб означает, что дверь близка к тому, чтобы выдержать испытания на два других полюса и на боковой удар.

«Наши тесты пока что показывают, что композитная дверь легко соответствует федеральным требованиям, но наши базовые характеристики дверей Acura намного превосходят эти требования», - говорит Пилла. Результаты FEA на данный момент показывают, что легкая композитная дверь поглощает больше энергии, чем базовая дверь (23,59 кДж / 15,34 кДж), что Pilla приписывает способности композитов поглощать дополнительную энергию деформации после начального предела текучести. Но моделирование показывает, что можно улучшить как внешний элемент жесткости по поясной линии, так и архитектуру усиления внутреннего каркаса.

Поскольку от первоначального графика проекта остается один год, группа занимается производственным моделированием и инструментальными подходами; создание плана серийного производства для увеличения масштабов и сметной стоимости производственной линии; и изготовление прототипа (ов) для краш-тестов и испытаний механических характеристик, испытаний на сборку и окончание, а также ускоренного старения.

Пилла говорит:«Композитная дверь все еще не достигает цели из-за толщины панелей, и она не полностью оптимизирована. Несмотря на то, что мы намного легче базовой стали, мы еще не достигли нашей цели по снижению веса на 42,5%, но надеемся, что сможем ее достичь ». Вскоре будет готов прототип двери для подгонки и функциональных испытаний. Команда проекта считает, что материалы и технологии, разработанные для этой двери, можно легко масштабировать на другие автомобильные компоненты (например, детали на болтах и ​​детали кузова в белом), а относительно низкая стоимость инфраструктуры процессов изготовления композитных материалов может позволить создать новые OEM-производители и поставщики внедряют эти технологии - выигрыш для автомобильных композитов.