CN111169039A - 一种汽车用碳纤维复合材料b柱加强件的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，按B柱加强件的3D图作2D展开图，并标出开剪部位，将碳纤维预浸料在裁切机按程序进行裁切并逐件标号；通过对碳纤维单向预浸带铺层角度、层数、厚度以及铺层顺序的优化设计得到最优B柱加强件，提高了车身抗撞性能。

Description

一种汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法
技术领域：
本发明涉及复合材料技术领域，具体涉及一种汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法。
背景技术：
随着传统汽车轻量化和新能源汽车的发展，当前主要乘用车采用的轻量化材料多种多样：大量采用高强度钢、轻质金属以及高分子材料、陶瓷材料和复合材料等非金属材料等。其中，碳纤维增强复合材料凭以其低密度、高比强度、一体化成型优势和工艺性好等特点，在复合材料车身结构中逐步增大使用比例，如BMW i7B柱在金属结构的关键部位局部附加碳纤维复合材料，构成复合结构，既能充分发挥碳纤维增强复合材料的优势，又能降低成本，提升安全性，碳纤维复合材料已被各大主机厂列为主要发展方向，尤其是轿跑车型。为适应当前国家政策和法规更高的抗撞性和轻量化要求，结合碳纤维增强复合材料最新成型技术的发展，碳纤维复合材料将会在汽车车身结构中发挥更大的作用。
目前，在车身轻量化研究中大多只是对传统金属材料进行简单替换，对抗冲击性能不满足部位通常采用增加板厚等方式以满足要求。但这种方式没有充分发挥复合材料的可设计性能，轻量化效果并不明显，有必要对碳纤维复合材料的制备方法进行优化。
B柱结构在汽车车身侧面遭受碰撞情况中主要起着吸能和承力作用，也是在垂直方向构成传力的部件，B柱结构将力传递到车顶盖纵梁。其抗撞性能是在侧面碰撞工况下对人体造成的伤害最小化。侧面碰撞时人体的伤害主要是由于头、胸、脊椎以及骨盆部位的冲击所造成的不可逆转的伤害。若B柱结构不具备足够的刚度，则将会造成较为严重的伤害发生，因此，对于B柱结构的研究意义重大。
通过进行国内外相关文献检索，未发现有类似的碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法。
发明内容：
本发明的目的是提供一种汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，充分利用纤维增合材料的比强度好、比模量高、耐腐蚀、抗疲劳等优点，提高了抗压和抗冲击性能且达到汽车轻量化效果。
本发明是通过以下技术方案予以实现的：
一种汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)按B柱加强件的3D图作2D展开图，并标出开剪部位，将碳纤维预浸料在裁切机按程序进行裁切并逐件标号；所述B柱加强件纤维体积含量为46～66％；上、下表面采用3k或6k或12k碳纤维单向预浸料，内部采用12k和/或24k单向预浸料或碳纤维平纹或斜纹织物或缎纹织物或展宽纱织物预浸料，所述预浸料为环氧树脂型；
(2)对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层设计，2D展开图在B柱加强件的大端头、中部和小端头的铺层数不同，采用变厚度设计，设计厚度为：2.8～6.8mm，铺层数为：20～80层，其中，大端头铺层数为30～40层，小端头铺层数为36～48层；
(3)对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层角度和顺序设计，+45°、0°、90°、-45°四个铺层角度方向的分配比例为：表面铺设角度为±45°，铺层角度为±45°的层比例不低于40％，铺层角度为0°层比例不低于25％，铺层角度为90°层比例为10％～25％；
(4)采用模压工艺，对模具进行预热，温度为50～70℃，合模并升温固化，升温速度为1～5℃/min，固化温度为110～150℃，保持30-60min，合模压力为21～25kg/cm2，保压时间50-60min，冷却、脱模、取件。
碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层角度和顺序设计，±45°、0°、90°和±45°四个铺层角度方向的分配比例为：表面铺设角度为±45°，铺层角度为±45°的层比例不低于40％，铺层角度为0°层比例不低于25％，铺层角度为90°层比例为10％～25％，以满足抗压和抗冲击性能要求。
特别地，所述B柱加强件按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，共计28～40层。
特别地，所述B柱加强件内部按照铺层角度依次为0°、+45°、0°、90°进行铺层，所述B柱加强件上、下表面铺层角度为+45°或-45°。
本发明的有益效果如下：
1)本发明通过对碳纤维单向预浸带铺层角度、层数、厚度以及铺层顺序的优化设计得到最优B柱加强件，提高了车身抗撞性能。
2)本发明所述的汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，可应用于汽车其它部件的轻量化设计中，如车用复合材料的材料和结构一体化设计中，充分发挥复合材料可设计性的优势，实现结构、功能一体化，制备出满足汽车性能要求的轻量化部件。
附图说明：
图1是汽车用碳纤维复合材料B柱加强件轴测示意图；
图2是汽车用碳纤维复合材料B柱加强件正面示意图；
图3是汽车用碳纤维复合材料B柱加强件小端结构示意图；
图4是汽车用碳纤维复合材料B柱加强件小端正面开孔部位示意图；
图5是汽车用碳纤维复合材料B柱加强件中间开孔部位示意图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
实施例1：
(1)按B柱加强件的3D图作2D展开图，并标出开剪部位，将碳纤维预浸料在裁切机上按程序进行裁切并逐件标号。对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层设计，2D展开图在B柱加强件的大端头、中部和小端头的铺层数不同，根据优化结构设计，采用变厚度设计，即不同部位采用不同厚度铺层设计；本实施例B柱加强件的大端头部件铺层数为：38层，小端头部件铺层数为42层，中间部件铺层数为40层。
(2)对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层角度和顺序设计，其中B柱加强件的大端头部件从下到上按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，铺层顺序记为：[+45°/0°/90°/-45°]9，从下到上铺设，第一层为铺层角度为+45°3k碳纤维单向预浸料，第二层为铺层角度为0°的6k碳纤维单向预浸布，第三层为铺层角度为90°的6k纤维单向预浸布，第四层为铺层角度为-45°的3k纤维单向预浸布，重复上述四层铺层顺序9次，上、下表面分布铺设一层-45和+45的单向预浸料，从而完成B柱加强件的大端头部件38层的铺层设计；小端头部件从下到上按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，铺层顺序记为：[+45°/0°/90°/-45°]10，从下到上铺设，第一层为铺层角度为+45°3k碳纤维单向预浸料，第二层为铺层角度为0°的6k碳纤维单向预浸布，第三层为铺层角度为90°的6k纤维单向预浸布，第四层为铺层角度为-45°的3k纤维单向预浸布，重复上述四层铺层顺序10次，上、下表面分布铺设一层-45和+45的单向预浸料，从而完成B柱加强件的小端头部件42层铺层设计。中间部件从下到上按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，铺层顺序记为：[+45°/0°/90°/-45°]10，从下到上铺设，第一层为铺层角度为+45°3k碳纤维单向预浸料，第二层为铺层角度为0°的6k碳纤维单向预浸布，第三层为铺层角度为90°的6k纤维单向预浸布，第四层为铺层角度为-45°的3k纤维单向预浸布，重复上述四层铺层顺序10次，从而完成B柱加强件的中部40层铺层设计。
(3)合模预热60℃，保持20～25min，固化温度：130～135℃，保持30～60min，合模压力：21～25kg/cm2，保压时间60min，冷却并开模取件。
实施例2：
(1)按B柱加强件的3D图作2D展开图，并标出开剪部位，将碳纤维预浸料在裁切机按程序进行裁切并逐件标号。2D展开图在B柱加强件的大端头、中部和小端头的铺层数不同，根据优化结构设计，采用变厚度设计，即不同部位采用不同厚度铺层设计；本实施例碳纤维复合材料B柱加强件的小端头部件铺层数为：44层，大端头部件铺层数为：34层，中间部件铺层数为：40层；
(2)对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层角度和顺序设计，其中B柱加强件的大端头部件第一层铺层角度为-45°，内部按照铺层角度依次为0°、+45°、0°、90°进行铺层，最后一层铺层角度为+45°，铺层顺序记为：[-45°]1+[0°/+45°/0°/90°]8+[+45°]1，从下到上铺设，第一层为铺层角度为-45°的3k单向预浸料，第二层为铺层角度为0°的12k单向预浸布，第三层为铺层角度为+45°的12k单向预浸布，第四层为铺层角度为0°的12k单向预浸布，第五层铺层角度为90°的12k单向预浸料，重复第二层到五层铺层顺序8次，最后一层铺层角度为+45°，从而完成大端头34层铺层设计。小端头部件从下到上按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，铺层顺序记为：[+45°/0°/90°/-45°]11，从下到上铺设，第一层为铺层角度为+45°3k碳纤维单向预浸料，第二层为铺层角度为0°的6k碳纤维单向预浸布，第三层为铺层角度为90°的6k纤维单向预浸布，第四层为铺层角度为-45°的3k纤维单向预浸布，重复上述四层铺层顺序11次，从而完成B柱加强件的小端头44层铺层设计。中间部件从下到上按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，铺层顺序记为：[+45°/0°/90°/-45°]10，从下到上铺设，第一层为铺层角度为+45°3k碳纤维单向预浸料，第二层为铺层角度为0°的6k碳纤维单向预浸布，第三层为铺层角度为90°的6k纤维单向预浸布，第四层为铺层角度为-45°的3k纤维单向预浸布，重复上述四层铺层顺序10次，从而完成B柱加强件的中部40层铺层设计。
(3)合模预热60℃，保持20～25min，固化温度：140～145℃，保持30～40min，合模压力：21～25kg/cm2，保压时间50min，冷却并开模取件。

Claims (3)

1.一种汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
1)按B柱加强件的3D图作2D展开图，并标出开剪部位，将碳纤维预浸料在裁切机按程序进行裁切并逐件标号；所述B柱加强件纤维体积含量为46～66％；上、下表面采用3k或6k或12k碳纤维单向预浸料，内部采用12k和/或24k单向预浸料或碳纤维平纹或斜纹织物或缎纹织物或展宽纱织物预浸料，所述预浸料为环氧树脂型；
(2)对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层设计，2D展开图在B柱加强件的大端头、中部和小端头的铺层数不同，采用变厚度设计，设计厚度为：2.8～6.8mm，铺层数为：20～80层，其中，大端头铺层数为30～40层，小端头铺层数为36～48层；
(3)对碳纤维复合材料B柱加强件进行铺层角度和顺序设计，+45°、0°、90°、-45°四个铺层角度方向的分配比例为：表面铺设层铺层角度为±45°，铺层角度为±45°的层比例不低于40％，铺层角度为0°层比例不低于25％，铺层角度为90°层比例为10％～25％；
(4)采用模压工艺，对模具进行预热，温度为50～70℃，合模并升温固化，升温速度为1～5℃/min，固化温度为110～150℃，保持30-60min，合模压力为21～25kg/cm2，保压时间50-60min，冷却、脱模、取件。
2.根据权利要求1所述汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，其特征在于，所述B柱加强件按照铺层角度依次为+45°、0°、90°、-45°进行铺层，共计28～40层。
3.根据权利要求1所述汽车用碳纤维复合材料B柱加强件的制备方法，其特征在于，所述B柱加强件内部按照铺层角度依次为0°、+45°、0°、90°进行铺层，所述B柱加强件上、下表面铺层角度为+45°或-45°。
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