Первая термопластичная дверь прокладывает путь к передовительным автокомпозитам

Автомобильные OEM и Tier 1 борются с необходимостью снижения массы транспортных средств для соответствия целям по топливной экономике и выбросам углерода. Композитные материалы могут значительно способствовать этому облегчению во многих областях, но стоимость, вопросы дизайна, незнакомые процессы обработки и конкуренция с другими материалами продолжают представлять препятствия. Для преодоления этих многие проекты исследуют, как композиты могут быть интегрированы в многослойные автомобильные структуры для максимальной выгоды.

Один проект, адресующий вопрос, как композиты могут снизить несущие замыкающие системы, проводится Центром композитов Клемсонского университета (Клемсон, штат Южная Каролина, США), Международным центром автомобильных исследований Клемсонского университета (CU-ICAR) и Honda R&D Americas (Реймонд, штат Огайо, США), с поддержкой Центра композитных материалов Университета Делавэра (CCM, Ньюарк, штат Делавэр, США) и финансированием Министерства энергетики США (DOE, Вашингтон, округ Колумбия, США).

Фокус проекта, говорит главный исследователь д-р Шрикант Пилла, профессор автоинженерии имени Дженкинса и факультетский член декана в Клемсоне, — вопрос о том, могут ли композиты обеспечить ультралегкие замыкающие системы — двери, капоты, крышки багажника — для дополнения параллельных достижений в силовой установке и лучшей аэродинамике: «В технологическом портфолио облегчения большая часть „низко висящих плодов“ уже реализована — например, уменьшение двигателя. Мы верим, что есть потенциал для прироста эффективности в области несущих замыкающих систем по разумной цене».

Коллаборация и командная работа — ключ

Четырехлетний проект, начавшийся в 2016, возник по запросу DOE, как часть серии Grand Challenges администрации Обамы для продвижения науки и инженерии по множеству тем, включая соответствие автоэмиссионным стандартам. Запрос на предложение просил дизайн и разработку автомобильной двери, обеспечивающей 42,5% снижение веса по сравнению со стандартной OEM-дверью, сохраняя похожую аварийную производительность, долговечность и производительность использования/неправильного использования, и похожий NVH (шум, вибрация, жесткость). И независимо от того, как спроектирована легкая дверь, она должна использовать коммерчески доступные материальные системы и масштабироваться до производственных объемов не менее 20 000 автомобилей в год.

Honda присоединилась как OEM-советник проекта, потому что проект соответствовал «нашему видению в конечном итоге создания общества без выбросов», — говорит Скай Малкольм, главный инженер, Advanced Planning & Verification Vehicle Development Foundations в Honda R&D Americas. Honda также добавила свои ограничения: «Дизайн двери, разрабатываемый командой, должен использовать ту же геометрию уплотнения, иметь все то же функциональное оборудование, что и базовая дверь, обеспечивать класс А финиш, неотличимый от базового, и соответствовать требованиям Honda по долговечности и старению». Команда поставила дополнительную цель — дверь должна быть 100% перерабатываемой. Возможно, самое важное: DOE обязало максимально допустимую стоимость за фунт сэкономленного веса (над базовой дверью) в $5. Это означало, что для типичной двери Acura MDX весом 31,8 кг, 42,5% снижение веса давало целевой вес 18,3 кг, что (по $5/фунт сэкономленного веса) означало, что композитная дверь могла только добавить $150 к стоимости двери.

Поддерживающие Пиллу в проекте несколько студентов бакалавриата и магистратуры, д-р Ган Ли, профессор механики инженерии в Клемсоне, и д-д Бэзл Хак и Шридхар Ярлагадда из CCM Университета Делавэра, эксперты по многослойным композитам. Ярлагадда, со-главный исследователь, указывает: «Honda была неотъемлевой частью наших усилий и предоставила исключительный уровень коллаборации и преданности нашей программе, включая поддержку HPC вычислений и доступ к инженерам Honda по всему спектру. Дизайн, производство и интеграция композитных компонентов должны сочетаться с рядом клиентских „мягких“ требований для создания приемлемого системного дизайна, и это было бы невозможно без поддержки Honda». Этот сентимент разделен другими членами команды, добавляет Пилла: «Простая материальная замена не была решением. Мы должны были посмотреть на системный подход, и Honda помогла нам понять все элементы системы двери до уровня компонента. Действительно, их партнерство и вовлеченность беспрецедентны».

Проектирование новой двери

Первоначальный анализ включал бенчмаркинг других OEM усилий по легким замыкающим системам для ограниченных рыночных моделей, включая алюминиевую раму двери Audi для модели A8, магниевую раму двери Porsche Panamera и раму двери из углеродно-пластикового термореактивного композита BMW i8. Ни один из этих предыдущих OEM подходов, однако, не соответствовал целям проекта по стоимости или весу. Пилла говорит: «Я хотел быть частью чего-то, что бы принесло пользу будущему, что бы способствовало круговой экономике. Термопластичная дверь не пыталась раньше, и она была бы перерабатываемой». При сравнении с другими кандидатскими материалами, включая термореактивные композиты, алюминий и сталь, термопласты предлагали не только перерабатываемость, но и очень высокий потенциал облегчения и быстрые скорости обработки (по сравнению с термореактивными) для достижения производственных целей.

С оригинальной дверью Acura MDX в качестве базовой (Рис. 1), команда разложила ее материальный микс: 62% металл, 21% жесткий чистый полимер, 13% стекло и 4% эластомер. Наибольшая возможность для облегчения, 60%, пришла бы от металлической рамы двери, которую команда намеревалась снизить от базового веса 15,4 кг до целевого 6,2 кг. Хотя не было шанса снизить вес во внутренних компонентах и электронике двери (динамик, сервопривод подъема стекла, замок и т.д.), команда определила, что вес стекла можно снизить на 20%, возможно, сделав стекло тоньше, но без компрометации целевых метрик NVH и долговечности. Далее, команда оценила, что вес отделки внутренней поверхности двери можно снизить на 30%, или даже устранить.

Основные задачи проекта шли параллельно первые два года. Некоторые члены команды работали над генерацией данных материалов, другие — над спецификой дизайна двери. Группа материалов генерировала тестовые данные для множества термопластов — непрерывные ленты,маты, короткие и длинные волокнисто-упластиченные полимеры и более — для определения кандидатов для внутренней рамы и внешней панели; материалы предоставлены рядом промышленных партнеров-поставщиков. Данные оценивались через паутину диаграмм, с осями: общая прочность, сдвиговая прочность, допустимая стоимость, допустимая плотность, жесткость и вязкость.

Лучшие материальные варианты после первичной оценки данных — непрерывные волокнистые ленты и гранулы длинноволокнисто-упластиченных термопластов — прошли материальное моделирование, объясняет Пилла: «Было возможно построить простую ортотропную матрицу жесткости для непрерывных волокнистых лент на основе закона Гука». Для длинноволокнистого полимера, однако, потребовались вторичные симуляции для предсказания прочности и жесткости литой под давлением детали двери, из-за анизотропии, вводимой как конечной геометрией детали, так и процессом заполнения формы. Добавляет Пилла: «Моделирование этих длинноволокнистых материалов сложно, потому что по симуляции не сделано много». Для сбора нужных данных команда разработала производственный оптимизационный цикл. Общие формы деталей для внутренней рамы и внешней панели генерировались в Dassault Systèmes SolidWorks 3D; симуляции заполнения формы проводились в Moldex3D от Moldex (Чупей-Сити, Тайвань); динамика расплава и коллизии анализировались для определения ориентации волокна через Digimat от e-Xstream (О-шарж, Люксембург, компания Hexagon); отображенные ориентации волокна использовались для генерации матрицы жесткости с помощью инструментов КЭА, включая материаловые карты от Altair Engineering HyperWorks CAE. По мере изменения форм деталей и тестирования материалов, оптимизационный цикл повторялся множество раз.

Одновременно другие члены команды работали над фактической разработкой концепции двери, и в конечном счете, симуляциями инструментов и производства. Начиная с грубых эскизов и высокоуровневого выбора материалов, был создан ряд дизайнов. Затем генерировались грубые CAD-модели и первичные КЭА симуляции для простых статических нагрузок. Осенью 2016, говорит Пилла, на CU-ICAR проводилась дизайнерская мастерская, где команда сузила варианты концепции двери до семи для дальнейшей работы. «Наша дизайнерская философия с начала была максимизировать функциональную интеграцию деталей и материалов, минимизировать количество деталей, максимизировать эффективность используемых материалов через оптимизацию и упростить сборку», — говорит Пилла.

В этот момент генерировались детальные CAD-модели и КЭА симуляции для каждой концепции для валидации статической производительности в соответствии с целями Honda. Учитывая технологичность и интеграцию подсистем, Концепция 7 (подход космической рамы) начала сходиться к Концепции 2 (однопиечная структурная рама), поэтому команда решила продолжить с Концепцией 2, включив уроки из космической рамы. Эта концепция состоит из четырех элементов: внешняя панель класса А, внутренности двери, внутренняя рама или панель, и внутренние элементы отделки.

Многослойная внутренняя, внешняя панель класса А

Команда выбрала материалы и производственные процессы для финального дизайна двери в середине 2018, с заморозкой дизайна 15 января 2019; производство инструментов и прототипирование началось. Рис. 2 показывает детали для 1,2-мм внутренней рамы и ее компонентов (внешняя панель класса А не показана). «Линия пояса» относится к стилистической линии, образованной нижним краем стекла окна, где размещены усилки для поддержки формованных композитных панелей. Пилла отмечает, что анти-вторгаючая балка, для защиты пассажиров при боковом ударе, должна была остаться стальной, чтобы держать общий вес двери ниже — композитная балка с той же производительностью была бы слишком тяжелой. Один ключевой элемент дизайна — система крепления для соединения внутренней рамы с внешней панелью. Пилла объясняет: «Внешняя панель класса А будет присоединена к двери в конце сборочной линии, что позволит ассоцииатам легко установить внутренности двери заранее, и также предотвратит любое повреждение поверхности класса А во время сборки». Формованные защелки на внутренней раме регулируются, чтобы компенсировать производственные толерансы в направлении Y, добавляет он, в то время как удлиненные отверстия для металлических крепежей помогают компенсировать толерансы в X и Z направлениях при сборке.

Для помощи в снижении веса, текущий дизайн двери не имеет обычной внутренней панели отделки. Вместо этого спроектированы несколько функциональных формованных деталей, включая литую под давлением карман для карт, подлокотник из натурального дерева с задней формовкой из ABS пластика, и некоторые кожаные накладки, ламинированные с пеной. Вместе эти детали весят 1,34 кг, по сравнению с базовой внутренней панелью 3,49 кг. Пилла говорит, команда ожидает сэкономить больше веса с оптимизацией дизайна.

В настоящее время КЭА анализ и оптимизация идут, для моделирования как статических нагрузок, так и динамических аварийных нагрузок, которые композитная дверь должна выдержать. Статические нагрузки сами по себе пугающи, и включают провисание двери, жесткость линии пояса, жесткость крепления зеркала, жесткость тяги ручки двери и более. Динамическое нагрузочное тестирование, говорит Пилла, сейчас состоит из Федерального стандарта безопасности автотранспорта (FMVSS) 214 квазистатического полюсного теста, в котором дверь автомобиля сдавливается внутрь полюсом (который пропускает крышу и кузов) на 18 дюймов, пока все минимальные требования по силе соблюдаются: «Этот случай наименее вычислительно интенсивный по сравнению с другими двумя аварийными тестами [75° FMVSS 5-й перцентиль женщины (AF5) полюсный тест и оценка критериев бокового удара IIHS (IIHS SICE)]. Это позволит нам провести больше дизайнерских экспериментов и оптимизационных циклов».

Добавляет Ган Ли: «Интеграция композитного производственного процесса и симуляций структурной производительности с алгоритмами оптимизации оба интригуют и вызывают вызов. В то время как вызов кроется в сложности системы и масштабе вычислений, такая интеграция объединяет структурное, материальное и производственное дизайнерские пространства вместе и дает нам больше возможностей для облегчения и повышенной производительности». И выполнение этого полюсного нагрузочного случая означает, что дверь близка к выполнению других двух полюсных и боковых аварийных тестов, добавляет он.

«Наши тесты показывают, что композитная дверь легко соответствует федеральным требованиям, но комплексная производительность базовой двери Acura намного выше этих требований», — говорит Пилла. Результаты КЭА показывают, что легкая композитная дверь поглощает больше энергии, чем базовая дверь (23,59 кДж против 15,34 кДж), что Пилла приписывает способности композитов поглощать дополнительную деформационную энергию после начальной точки текучести. Но симуляции показывают, что улучшения могут быть сделаны, как для внешней усилки линии пояса, так и для архитектуры армирования внутренней рамы.

С одним годом, оставшимся в исходном временном графике проекта, группа генерирует производственные симуляции и подходы к инструментам; создает план массового производства для масштабирования и оценку затрат производственной линии; и производит прототип(ы) для аварийных и механических тестов производительности, тестов посадки и финиша, и ускоренного старения.

Пилла говорит: «Композитная дверь все еще не достигает цели, из-за толщин панелей, и не полностью оптимизирована. Хотя мы намного легче стальной базы, мы еще не достигли цели 42,5% снижения веса, но мы оптимистичны, что сможем выполнить ее». Прототип двери для тестов посадки и функциональности будет готов скоро. Команда проекта верит, что материалы и технологии, разработанные для этой двери, могут легко масштабироваться на другие автокомпоненты (например, болтовые и body-in-white детали), и относительно низкая инфраструктурная стоимость композитных процессов может позволить новым OEM и поставщикам внедрять эти технологии — победа для автокомпозитов.