CN107651020A - 一种纤维和金属复合材料构成的赛车防撞梁 - Google Patents

一种纤维和金属复合材料构成的赛车防撞梁 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种纤维和金属复合材料构成的赛车防撞梁，复合材料包括最外层1的碳纤维铺层和中间层2铝合金6061以及最内层3凯夫拉纤维铺层。并且合理设计了兼顾响应和吸能效果的不规则剖面形状，本设计加工简单，通过机加工中间层2铝合金，进行表面处理后，分别对内层3和外层1进行铺层，然后用真空袋压法复合，高温固化后再进行后期处理即可使用。本设计的优势在于满足了赛车日益提高的轻量化要求，比同等大小的防撞梁减重至少42%；同时此防撞梁的强度也满足了使用需求且大于同等规格纯铝合金6061防撞梁的强度；并且，内层的凯夫拉纤维铺层带来了更好的抗撕裂性，对于极限撞击的防撞梁断裂保护有了极大提升。

Description

一种纤维和金属复合材料构成的赛车防撞梁
技术领域
本发明涉及车辆用复合材料防撞梁设计制造加工技术领域，尤其涉及碳纤维和凯夫拉纤维复合材料铺层方案设计，轻量化设计。
背景技术
防撞梁，是汽车的重要组成部分，它是汽车安全的保障者，它通过自身的吸能作用在汽车低速碰撞时（<15km/h），保护汽车冷却系统、发动机等重要组成部分，最大程度的降低碰撞对于乘员的损伤程度。防撞梁的吸能作用主要体现在两个方面，一个是通过梁结构的设计达到在碰撞时吸能的目的，这种方式主要是通过改变梁结构的曲率，和吸能盒、吸能筋的位置尺寸实现的；另一个是，通过材料自身的特性，即晶体结构改变和化学键的断裂吸收撞击时的能量。
如今，材料日新月异，新材料的使用为汽车性能的改变提供了全新的思路。尤其是复合材料的发展，让汽车在轻量化和安全化的道路上高歌猛进。其中，碳纤维材料在高端汽车上已经得到了很好的应用，由碳纤维材料制成的单体外壳，让跑车的重量大大降低，从而更加充分的发挥发动机的动力性，满足驾驶员对于速度的追求。
受此启发，在赛车的防撞梁上，可以根据碳纤维的各向异性，设计合适的铺层角度来复合金属完成轻量化的设计，同时配合凯夫拉纤维优秀的抗撕裂性，给防撞梁的安全性提供了更好的保障。并且在实际使用中表现优秀，这种复合材料的防撞梁在赛车中的应用具有很强的应用前景，并且在降低成本后可以面向乘用车应用。
发明内容
本发明的目的在于设计出适合赛车的碳纤维、凯夫拉、铝合金复合材料防撞梁，并且兼顾轻量化和更好的吸能效果
本发明实现目的和解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明的实现目的：采用碳纤维外层加铝合金中层，并且用凯夫拉纤维作为内层的三种材料耦合的防撞梁结构；使此结构在赛车上具有更轻的质量，且吸能效果不亚于原始的钢制或铝合金材料的防撞梁。
本发明的技术问题：不同材料之间的复合方式选择，如何复合才能降低成本切复合效果良好或者优秀；如何利用好碳纤维的各向异性选择合适的碳纤维铺层方向来达到最好的吸能效果；探索更优的防撞梁截面形状，来拥有更好的抗扭性。
本发明的技术方案：
针对复合方式，采用真空袋压法将碳纤维材料和凯夫拉材料复合到铝合金上，真空袋压法使用一种柔性很好的袋子，这种袋子具有很好的气密性，它将预浸料的预成型件压在阳模或阴模上，压力是利用对袋子抽真空而获得的。加热固化是在一个适当尺寸的加热炉或者高压釜中进行的，炉子或高压釜上必须开有通过抽真空管道的孔。
针对碳纤维各向异性的选择，通过实验对比，我们得到了单向布0°/45°碳纤维与铝合金耦合以及0°/90°碳纤维与铝合金耦合的比吸能效应好于纯铝合金6061，纯铝合金6061的比吸能效果好于交织布的比吸能效果，因此会采用单向布0°/45°碳纤维与铝合金耦合以及0°/90°碳纤维与铝合金耦合。并且内层采用凯夫拉来提供更好的抗撕裂性，进一步提高安全性能。
针对截面形状的选择，闭合式不规则截面设计，抗扭截面形状，平滑过渡，使碳纤受力均匀。其中截面为闭合式不规则截面抗扭性好，均匀传递碰撞压力。通过实验，我们得到：从吸能角度，此次设计的闭合式不规则截面通过实际对比过程，有这相对与普通的方形和圆形界面有着更好的吸能效果，闭合式不规则截面形状的防撞梁由自身变形和摩擦产生的总能量最多，因此具有最好的吸能能效果；矩形截面形状的防撞梁次之，圆形截面形状的吸能效果最弱。；从响应速度，矩形截面形状的防撞梁在受到撞击时响应相对较快，闭合式不规则截面和圆形和响应速度相对较慢。
本发明与现有技术相比，主要有以下的优点：1. 轻量化，碳纤维复合材料是同强度钢质量的四分之一，各零件经强度校核，使整体强度协调统一，减少富余强度和重量，保证强度，降低成本的同时简化设计。
2. 吸能高，从不同截面的角度讲，此次设计的波浪纹环形界面通过实际对比过程，有这相对与普通的方形和圆形界面有着更好的吸能效果；从材料角度讲，通过实验对比钢DP600和铝合金6061的吸能效果，我们得到，铝合金6061的吸能效果优于钢DP600。从响应速度角度分析：DP600加速度波动较大，6061加速度波动平稳。DP600先达到零，响应速度较快，铝合金6061缓慢。但钢结构将很大的一部分能量传递给了防撞梁后方的结构。所以中间夹层的金属材料我们才选择了铝合金6061。
3. 闭合式不规则截面设计，抗扭截面形状，平滑过渡，使碳纤受力均匀。其中截面为闭合式不规则形状抗扭性好，均匀传递碰撞压力。通过实验，我们得到：从吸能角度，此次设计的闭合式不规则截面通过实际对比过程，有这相对与普通的方形和圆形界面有着更好的吸能效果，闭合式不规则截面形状的防撞梁由自身变形和摩擦产生的总能量最多，因此具有最好的吸能能效果；矩形截面形状的防撞梁次之，圆形截面形状的吸能效果最弱。；从响应速度，矩形截面形状的防撞梁在受到撞击时响应相对较快，闭合式不规则截面和圆形和响应速度相对较慢。
4. 充分利用碳纤维各向异性，合理选择最优的碳纤维铺层角度进行材料耦合。从平均能量角度出发：碳纤维耦合铝合金材料的吸能效果不如纯铝合金材料的吸能效果显著。但是，从碳纤维密度小强度大的特性，综合考虑其对于零部件轻量化和吸能效果考虑，那么单向布0°/45°碳纤维与铝合金耦合以及0°/90°碳纤维与铝合金耦合的比吸能效应好于纯铝合金6061，纯铝合金6061的比吸能效果好于交织布的比吸能效果。
附图说明
图1是防撞梁结构示意图。
图2是图1防撞梁剖面细节图。
具体实施方式
本发明的技术方案是：利用碳纤维各向异性设计不同铺层角度优化受力并在保证足够强度下进行减重，中间层为铝合金6061作为基础层，内部嵌有凯夫拉纤维铺层增加抗撕裂性。复合方式采用真空袋压法进行复合。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供的赛车用碳纤维和凯夫拉纤维复合材料防撞梁，针对铝合金6061前期处理，采用模具铸造、机加工，并对内外表面进行砂纸打磨或者喷砂处理。
针对复合方式，采用真空袋压法将碳纤维材料和凯夫拉材料复合到铝合金上，在加工好的铝合金6061上进行碳纤维单向布铺层和凯夫拉纤维的铺层，并且两端都留有一定余量，取下包裹毛毡及真空袋抽真空，放入烤箱进行高温固化，设定温度调整固化，成型取出。
针对碳纤维各向异性的选择，采用单向布0°/45°碳纤维与铝合金耦合以及0°/90°碳纤维与铝合金耦合。并且内层采用凯夫拉来提供更好的抗撕裂性，进一步提高安全性能。
针对截面形状的选择，如附图2，闭合式不规则截面设计，抗扭截面形状，平滑过渡，使碳纤受力均匀。其中截面为闭合式不规则截面抗扭性好，均匀传递碰撞压力。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明的，本领域技术人员还可以在本发明精神内做其他变化，以及应用到本发明未提及的领域中，当然，这些依据本发明精神所做的变化都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (5)

1.一种纤维和金属复合材料构成的赛车防撞梁，复合材料包括最外层1的碳纤维铺层和中间层2铝合金6061以及最内层3凯夫拉纤维铺层。
2.根据权利要求1所述的防撞梁闭合式不规则截面设计，抗扭性高，吸能效果好，缓冲速度适中。
3.根据权利要求1所述的碳纤维铺层1的单向布铺设角度设计，通过实验得到了更优的单向布0°/45°碳纤维以及0°/90°碳纤维与铝合金耦合的铺层角度设计。
4.根据权利要求1所述的中间层2铝合金6061前期采用铸造毛坯，后期进行表面粗糙度精加工，然后采用砂纸打磨或者喷砂进行表面处理来保证更好的复合效果。
5.根据权利要求1所述的碳纤维和凯夫拉纤维复合方式成型方式采用真空袋压法，在完成铺层后用真空袋抽真空，高温固化，这样的成型方式操作简单易加工，能够节约成本，且在权利要求3中的中间层2铝合金6061的表面处理中提供了良好稳定的接和效果。
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