CN115366835A - 一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用 - Google Patents

一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用 Download PDF

Info

Publication number
CN115366835A
CN115366835A CN202211017816.6A CN202211017816A CN115366835A CN 115366835 A CN115366835 A CN 115366835A CN 202211017816 A CN202211017816 A CN 202211017816A CN 115366835 A CN115366835 A CN 115366835A
Authority
CN
China
Prior art keywords
thickness
metal
composite material
fiber
material layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202211017816.6A
Other languages
English (en)
Inventor
朱国华
牛心想
赵众豪
魏路路
王振
赵轩
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Changan University
Original Assignee
Changan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Changan University filed Critical Changan University
Priority to CN202211017816.6A priority Critical patent/CN115366835A/zh
Publication of CN115366835A publication Critical patent/CN115366835A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/03—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by material, e.g. composite
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C69/00—Combinations of shaping techniques not provided for in a single one of main groups B29C39/00 - B29C67/00, e.g. associations of moulding and joining techniques; Apparatus therefore
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B1/00—Layered products having a non-planar shape
    • B32B1/08—Tubular products
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/14—Layered products comprising a layer of metal next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B15/00—Layered products comprising a layer of metal
    • B32B15/20—Layered products comprising a layer of metal comprising aluminium or copper
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/12—Layered products comprising a layer of synthetic resin next to a fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/32—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising polyolefins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/38—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising epoxy resins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/04—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the partial melting of at least one layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/06—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the heating method
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B37/00—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding
    • B32B37/10—Methods or apparatus for laminating, e.g. by curing or by ultrasonic bonding characterised by the pressing technique, e.g. using action of vacuum or fluid pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/0012—Mechanical treatment, e.g. roughening, deforming, stretching
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B38/00—Ancillary operations in connection with laminating processes
    • B32B38/16—Drying; Softening; Cleaning
    • B32B38/162—Cleaning
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/02—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by structural features of a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/022—Non-woven fabric
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B5/00—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts
    • B32B5/22—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed
    • B32B5/24—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer
    • B32B5/26—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary
    • B32B5/265—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary characterised by one fibrous or filamentary layer being a non-woven fabric layer
    • B32B5/266—Layered products characterised by the non- homogeneity or physical structure, i.e. comprising a fibrous, filamentary, particulate or foam layer; Layered products characterised by having a layer differing constitutionally or physically in different parts characterised by the presence of two or more layers which are next to each other and are fibrous, filamentary, formed of particles or foamed one layer being a fibrous or filamentary layer another layer next to it also being fibrous or filamentary characterised by one fibrous or filamentary layer being a non-woven fabric layer next to one or more non-woven fabric layers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B7/00—Layered products characterised by the relation between layers; Layered products characterised by the relative orientation of features between layers, or by the relative values of a measurable parameter between layers, i.e. products comprising layers having different physical, chemical or physicochemical properties; Layered products characterised by the interconnection of layers
    • B32B7/04—Interconnection of layers
    • B32B7/10—Interconnection of layers at least one layer having inter-reactive properties
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60—VEHICLES IN GENERAL
    • B60R—VEHICLES, VEHICLE FITTINGS, OR VEHICLE PARTS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B60R19/00—Wheel guards; Radiator guards, e.g. grilles; Obstruction removers; Fittings damping bouncing force in collisions
    • B60R19/02—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects
    • B60R19/18—Bumpers, i.e. impact receiving or absorbing members for protecting vehicles or fending off blows from other vehicles or objects characterised by the cross-section; Means within the bumper to absorb impact
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
    • B32B2260/02—Composition of the impregnated, bonded or embedded layer
    • B32B2260/021—Fibrous or filamentary layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2260/00—Layered product comprising an impregnated, embedded, or bonded layer wherein the layer comprises an impregnation, embedding, or binder material
    • B32B2260/04—Impregnation, embedding, or binder material
    • B32B2260/046—Synthetic resin
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2262/00—Composition or structural features of fibres which form a fibrous or filamentary layer or are present as additives
    • B32B2262/10—Inorganic fibres
    • B32B2262/106—Carbon fibres, e.g. graphite fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/50—Properties of the layers or laminate having particular mechanical properties
    • B32B2307/558—Impact strength, toughness
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2307/00—Properties of the layers or laminate
    • B32B2307/70—Other properties
    • B32B2307/718—Weight, e.g. weight per square meter
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2597/00—Tubular articles, e.g. hoses, pipes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B2605/00—Vehicles
    • B32B2605/08—Cars

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Textile Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Fluid Mechanics (AREA)
  • Laminated Bodies (AREA)

Abstract

本发明提供一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用，包括：金属管和设置在金属管内壁上的复合材料层；复合材料层由纤维和树脂复合得到。本发明将纤维复合材料层设置在金属管内壁上，与纤维复合材料层位于金属管外侧的金属/纤维增强复合材料相比，纤维复合材料层位于金属管内侧的复合材料薄壁结构受到冲击载荷时，能够吸收更多的能量，并且材料利用率更高，在碰撞过程中，冲击力比较平稳，具有更好的耐撞性能。将本发明所述的结构用于汽车车身结构上时，不仅提高了结构的耐撞性和整车的安全性能，还实现了车身结构轻量化的目的。

Description

一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用
技术领域
本发明属于混合材料和结构技术领域，具体涉及到一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用。
背景技术
随着“节能环保”越来越成为了广泛关注的话题，汽车的轻量化也随即被提出。汽车轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整体质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染，提升电动汽车续航里程。
为了实现汽车轻量化，新型材料的应用是一种不错的选择，即通过采用如高强钢、铝合金、镁合金、工程塑料以及先进复合材料等轻质材料替换传统钢材达到减重的效果。
单纯的铝合金防撞结构，在受到碰撞时，虽然结构的吸能效果较好，但是轻量化效果不明显；经纤维复合材料制造工艺获得的纤维增强树脂基复合材料具有出色的比强度和比模量，但其材料成本相比较高，并且在碰撞过程中有可能会产生局部屈曲等不稳定的失效模式，从而导致结构吸能特性降低，因此，单一的纤维增强复合材料难以满足汽车行业对碰撞安全性的要求。为了在提升轻量化效果的同时兼顾成本和结构性能，金属/纤维混合材料车身结构的概念被提出。该结构将轻质、高强度的纤维增强复合材料与低成本、高延展性的金属相结合，在提升轻量化效果及结构耐撞性能的同时能够减小材料成本。
相关研究表明，金属/纤维结构在碰撞安全方面具有较好的吸能性能和耐撞特性。但是纤维铺在金属管外时，在轴向压溃过程中，其外部纤维发生局部屈曲的不稳定失效模式，破坏程度不充分，能量吸收值均低于其单一组分材料吸能值之和，此外，这类混合管耐撞性能指标均远低于FRP管；因此，需要进一步提高结构在遭受碰撞时吸收能量的能力。
发明内容
针对现有薄壁结构存在的缺陷，本发明从降低初始峰值载荷，提升结构能量吸收能力的角度出发，并结合轻量化的要求，提出了一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用，本发明提供的制备方法简单易操作。
本发明通过以下技术方案实现：
一种金属/纤维复合材料薄壁结构，包括：金属管和设置在金属管内壁上的复合材料层；复合材料层由纤维和树脂复合得到。
优选的，复合材料层为等厚度结构；金属管自一端至另一端厚度梯度变化，金属管自一端至另一端等分为n个厚度区域，各厚度区域的厚度按照如下公式计算得到：
Figure BDA0003811650430000021
其中1≤i≤n,n＝1,2,3…；h1为最小厚度区域厚度值；hn为最大厚度区域厚度值；i为第i个厚度区域；n为整个金属管的厚度区域数，将金属管n等分；d为梯度值。
优选的，复合材料层为等厚度结构；金属管1为等厚度结构。
优选的，金属管自一端至另一端厚度梯度变化，金属管自一端至另一端等分为n个厚度区域，各厚度区域的厚度按照如下公式计算得到：
Figure BDA0003811650430000022
其中1≤i≤n,n＝1,2,3…；h1为最小厚度区域厚度值；hn为最大厚度区域厚度值；i为第i个厚度区域；n为整个金属管的厚度区域数，将金属管n等分；d为梯度值；
复合材料层自一端至另一等分为n个与金属管相同的厚度区域，复合材料层由至少一层复合材料单层板叠加而成；复合材料层的厚度规律为：
ti＝kmn
其中，ti表示第i个厚度区域的复合材料层的厚度；m为复合材料单层板的厚度；k表示每相邻两个厚度区域的厚度相差k层复合材料单层板的厚度。
优选的，金属管为等厚度结构；复合材料层自一端至另一等分为n个厚度区域，复合材料层由至少一层复合材料单层板叠加而成；复合材料层的厚度规律为：
ti＝kmn
其中，ti表示第i个厚度区域的复合材料层的厚度；m为复合材料单层板的厚度；k表示每相邻两个厚度区域的厚度相差k层复合材料单层板的厚度。
所述的金属/纤维复合材料薄壁结构的制作方法，将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，将环氧树脂膜缠绕在芯棒上，再将纤维预浸料缠绕在环氧树脂膜上；然后将芯棒抽出，将缠绕好的纤维预浸料和环氧树脂膜一起放入金属管内，得到复合材料金属管，将气囊放入复合材料金属管内中，将填充气囊的复合材料金属管放入到模具中，合模、充气，加热，保温保压，得到金属/纤维复合材料薄壁结构。
所述的金属/纤维复合材料薄壁结构的制作方法，将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，采用柔性轧辊工艺，对金属板胚料轧制，得到预设厚度的金属板，将纤维预浸料平铺在金属板上，然后放置在冲压模具中进行加热冲压，得到金属/纤维复合材料薄壁结构。
一种汽车防撞梁，其结构为所述的金属/纤维复合材料薄壁结构。
一种汽车前纵梁，其结构为所述的金属/纤维复合材料薄壁结构。
一种汽车门槛梁，其结构为所述的金属/纤维复合材料薄壁结构。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
本发明将纤维复合材料层设置在金属管内壁上，与纤维复合材料层位于金属管外侧的金属/纤维增强复合材料相比，纤维复合材料层位于金属管内侧的复合材料薄壁结构受到冲击载荷时，能够吸收更多的能量，并且材料利用率更高，在碰撞过程中，冲击力比较平稳，具有更好的耐撞性能。将本发明所述的结构用于汽车车身结构上时，不仅提高了结构的耐撞性和整车的安全性能，还实现了车身结构轻量化的目的。
进一步的，金属管厚度梯度变化，相对于等厚度的金属管，在受到冲击载荷时，冲击力更加平稳，能吸收更多的能量，具有较好的耐撞性能。
进一步的，复合材料层厚度梯度变化，相对于等厚度的复合材料，在受到冲击载荷时，冲击力更加平稳，能吸收更多的能量，具有较好的耐撞性能。
本发明金属/纤维增强复合材料混合结构能够由较少的加工步骤制得，并且成本较低、容易实现批量生产。
将该薄壁结构应用到车身前纵梁、防撞梁、门槛梁等部件时，不仅提高了结构的耐撞性能和整车的安全性能，还实现了车身结构轻量化的目的。
附图说明
图1(a)为金属/纤维复合材料薄壁结构三维图，图1(b)为结构在XOY平面的剖视图；
图2为金属无梯度且纤维变区域厚度的金属/纤维混合结构剖视图；
图3(a)为梯度金属/纤维结构的制备流程方法——吹气膜压法，图3(b)为梯度金属/纤维结构的制备流程方法——轧制冲压法；
图4(a)为金属有梯度且纤维变区域厚度的金属/纤维结构的帽型梁的三维图,图4(b)为该结构的XOY平面剖视图；
图5为金属和纤维均等厚度的金属/纤维混合结构剖视图；
图6为金属有梯度且纤维等厚度的金属/纤维混合结构剖视图；
图7(a)为前纵梁的安装位置，图7(b)为前纵梁的三维视图，图7(c)为梯度金属/纤维混合结构在前纵梁的应用剖视图；
图8(a)为门槛梁的安装位置，图8(b)为门槛梁的三维视图，图8(c)为梯度金属/纤维结构应用在门槛梁上的XOY平面剖视图；
图9(a)为前防撞梁的安装位置，图9(b)为前防撞梁的三维视图。图9(c)为梯度金属/纤维混合结构应用在前防撞梁上的XOY平面剖视图。
图10(a)为单一金属管的实验变形图(上图为圆管，下图为方管)，(b)单一复合材料管的实验变形模式图(上图为圆管，下图为方管)，(c)为复合材料层外包在金属管外的实验变形模式图(上图为圆管，下图为方管)，(d)实施例三复合材料层内嵌在金属管内的实验变形模式图(上图为圆管，下图为方管)，(e)为四种形式圆管的实验载荷-位移曲线，(f)为四种形式方管的实验载荷-位移曲线，(g)为方管和圆管四种形式吸能总量图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明进行描述，这些描述只是进一步解释本发明的特征和优点，并非用于限制本发明的权利要求。
本发明一种金属/纤维复合材料薄壁结构，包括：
金属管1：金属管的厚度变化依据控制函数来控制，在某一点处的厚度按照如下幂指函数来确定，通过改变梯度值可实现金属管的厚度变化，该控制函数为：
Figure BDA0003811650430000051
其中1≤i≤n,n＝1,2,3…；h1为最小厚度区域厚度值；hn为最大厚度区域厚度值；i为第i个厚度区域；n为整个金属管的厚度区域数，将金属管n等分；d为梯度值。
当梯度值d取不同值时，厚度梯度的变化形式也不同。当d＝0时，各个区域的厚度按照线性方式变化；当d≠0时，各个区域的厚度按照幂指函数方式变化。
在金属管内壁上附着有复合材料层2，复合材料层的厚度可分为等厚度和变区域厚度。
变区域厚度的复合材料层：复合材料层的厚度根据金属管的划分区域从一端到另一端层数按规律逐渐增多，复合材料层的厚度规律为：
ti＝kmn
其中ti表示第i个厚度区域复合材料层的厚度；m为复合材料单层板的厚度；k表示每相邻两个区域的厚度相差k层复合材料单层板的厚度。
由于复合材料层和金属管有不同的结构，因此当纤维位于金属管内侧时，所设计的混合结构有四种，分别是：
1、金属管具有梯度即d≠0，纤维变区域厚度分布的金属/纤维混合结构；
2、金属管具有梯度即d≠0，纤维等厚度的金属/纤维混合结构；
3、金属管等厚度即d＝0，纤维变区域厚度分布的金属/纤维混合结构；
4、金属管等厚度即d＝0，纤维等厚度的金属/纤维混合结构。
本发明提供了一种金属/纤维复合材料薄壁结构制作方法，制备方法流程可分为两种，分别介绍如下：
制备流程一：
采用吹气模压法进行制作，其工艺流程如下：首先对金属管的内表面进行粗化，并用丙酮清洁表面；其次，将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，将纤维预浸料和环氧树脂膜分别逐层缠绕在计算好尺寸的芯棒上；随后，再将芯棒顶出，将缠绕好的纤维预浸料和环氧树脂膜一起放入金属管内，再将气囊放入复合材料金属管中，其目的是为了在固化过程中在内部施加压力，使纤维与金属管内部贴合的更好；最后，将填充气囊的复合材料金属管放入到模具中，合模、充气，加热，保温保压。
制备流程二：
以金属板为胚料，在本发明中，优选对预成型件进行清理，所述清理优选包括喷砂打磨和清洗，所述喷砂打磨处理目的是除去金属材料表面氧化层，所述清洗优选采用丙酮除去金属材料表面油污。采用柔性轧辊工艺，实时调整上轧辊和下轧辊的距离，可通过计算机进行控制距离，能够改变金属板的厚度以及厚度区域长度，从而制成关于轧制方向具有厚度梯度变化的金属板材，从而达到不同的设计要求。将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，将具有厚度规律的纤维预浸料平铺在通过轧制过后的具有厚度梯度变化的金属板材上，之后将粘有纤维预浸料的金属板材放置在冲压模具中，该冲压模具在冲压过程中能够对样件进行加热，纤维预浸料在高温下能够很好的固化并与金属粘在一起，冲压制成相应的金属/纤维板。
本发明所述结构可以应用在电动汽车复合材料防撞梁、汽车前纵梁和门槛梁等结构上。
以下实施例中，所采用的金属管为铝管，所采用的纤维为碳纤维。
实施例一：
本发明提供一种金属无梯度即d＝0，纤维变区域厚度分布的金属/纤维复合材料薄壁结构和制备，结构如图2所示。
上述设计结构中金属/纤维增强复合材料结构，当梯度值d＝0时，厚度区域的划分如图2所示。制备过程方法有两种，分别如下所述：
制备方法一：首先根据复合材料结构尺寸来选择合适尺寸的芯棒并缠绕一层薄薄的聚丙烯膜(方便后面抽出芯棒)，再将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，裁剪出不同规格不同层数的纤维预浸料。然后将纤维预浸料按设定好的铺层顺序和铺层数量逐层缠绕在芯棒上。其次，抽出芯棒，将缠绕好的纤维预浸料和聚丙烯膜一起放入金属管内，得到复合材料金属管，再将气囊放入复合材料金属管中，以保证固化过程中，气囊能对复合材料金属管内部施加压力，使纤维与模具贴合得更好。最后，将填充气囊的复合材料金属管放入到模具中，合模、充气，放置热压机里加热至130℃，保温保压2小时后再进行脱模、切割，即可得到该发明所述的结构。制备流程如图3(a)图所示。
上述制备流程中复合材料层的制备采用缠绕成型工艺，将纤维预浸料按如上所述具有厚度规律，缠绕在芯棒上，复合材料层无肉眼可见的气泡。纤维预浸料由单向纤维布和树脂组成，每一层纤维布的厚度确定，所述树脂优选为热固性的环氧树脂，遇到高温时各层纤维布能够紧密的贴合在一起。
在本实施例中，取n＝5，k＝2mm。
在本发明中，所述复合材料层制备过程中不能产生肉眼可见的气泡，如果产生气泡采用挤压法排除气泡，所述气泡会产生结合缺陷，降低复合材料的力学性能。
制备方法二：以金属板为胚料，对胚料进行打磨和清洗处理，采用柔性轧辊工艺，控制上下两个轧辊的距离不变，保证金属板材等厚度。将具有厚度规律的纤维预浸料平铺在通过轧制过后的等厚度的金属板材上，之后将粘有纤维预浸料的金属板材放置在冲压模具中，该冲压模具在冲压过程中能够对样件进行加热，纤维预浸料在高温下能够很好的固化并与金属粘在一起，温度在160℃左右，高温下固化1.5小时，冲压制成相应的金属/纤维板。制备流程如图3(b)所示。
其中复合材料层的制备过程中注意的事项与制备方法一中的相同，此处不再赘述。
实施例二：
本发明同时提供了一种金属管具有梯度，纤维变区域厚度的金属/纤维复合材料薄壁结构，即当梯度值d≠0时，结构如图4所示。以金属帽型梁为例来叙述具有梯度的结构的制备流程。
具有梯度且纤维变区域厚度的金属/纤维增强复合材料帽型梁，制备方法如下：
考虑到金属帽型梁这种结构，采用制备方法二比较容易，因此对制备方法二进行详细叙述如下：
以金属板为胚料，对胚料进行打磨和清洗。采用柔性轧辊工艺，实时调整上轧辊和下轧辊的距离，可通过计算机进行控制距离，能够改变金属板的厚度以及厚度区域长度，从而制成关于轧制方向具有梯度变化厚度的金属板材。
将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，将具有厚度规律的纤维预浸料平铺在通过轧制过后的具有梯度变化厚度的金属板材上，之后将粘有预浸料的金属板材放置在U型冲压模具中，该冲压模具在冲压过程中能够对样件进行加热，纤维预浸料在高温下能够很好的固化并与金属粘在一起，制成混合材料帽型梁的U型板3。
将具有不同梯度的纤维预浸料平铺在经过轧制过后的变厚度的金属板材上，之后将附有复合材料的金属板材放入金属模具中，将模具放入热压机里，高温高压，制成混合材料帽型梁的下平面板4。
下面以5个厚度区域的金属管为例来说明金属/纤维增强复合材料结构，如图4所示最小厚度区域的厚度为h1，最大厚度区域的厚度为h5。
将冲压好后的混合材料帽型梁的U型板与下平面板通过螺栓连接，制成具有变厚度的金属/纤维增强复合材料帽型梁结构。
其中复合材料层的制备过程中注意的事项与实施例一中的相同，此处不再赘述。
实施例三：
本发明提供金属无梯度即d＝0，纤维等厚度分布的金属/纤维复合材料薄壁结构，结构如图5所示。
该结构的制备与实施例一中的制备方法相似，在制备方法一中，由于纤维是等厚度，因此复合材料层的制备只需要考虑纤维的厚度即可，不需要再分区域。其他操作相同，注意事项相同，此处不再叙述。制备方法二与实施例一相同。
实施例四：
本发明提供金属管具有梯度即d≠0，纤维等厚度分布的金属/纤维复合材料薄壁结构和制备，结构如图6所示。
制备方法一中需考虑金属板材的梯度因素，制备方法二需要设置上下两个轧辊的距离，且距离按照金属管的梯度函数来进行控制，除此之外，其余的制备流程和注意事项与实施例一中相同。
实施例五：
本发明提供一种纤维变区域厚度且金属管厚度梯度变化的金属/纤维复合材料薄壁结构，所述结构可应用在电动汽车复合材料汽车前纵梁上。
考虑到汽车前纵梁要承受汽车正面碰撞时的正面冲击，因此为了提高该结构的正面吸收能量的能力，减小汽车发生正面碰撞时初始峰值力的大小，将本发明所提及的结构应用到前纵梁受到正面冲击时承受载荷的方向上，可考虑在碰撞方向上金属帽型梁的厚度相对较厚，内壁上的纤维层数相对较多。将实施例二中所设计的帽型梁结构应用到汽车前纵梁上，也具有较好的效果。
实施例五的应用结构的制作工艺如下：
某金属作为原始胚料，使用轧制工艺，调节上下两个轧辊的距离，轧制出具有变厚度的金属板材，之后进行一些热工艺处理，得到汽车前纵梁金属板材。采用手糊成型的工艺，将纤维增强材料粘附在前纵梁金属板材上，之后使用冲压工艺、螺栓连接方式得到最后的汽车前纵梁，最后将前纵梁安装到汽车上，局部结构如图7(c)所示。
汽车前纵梁的结构及其制备流程和上述实施例二中金属帽型梁的制备流程相似，这里所注意的事项以及一些具体流程与上述相似，不再加以解释。
实施例六：
本发明提供一种纤维变区域厚度且金属管厚度梯度变化的金属/纤维复合材料薄壁结构，所述结构应用在电动汽车复合材料汽车门槛梁上。
考虑到门槛梁要承受汽车侧面碰撞时的侧面冲击，因此为了提高该结构的侧面吸收能量的能力，将本发明所提及的变厚度结构应用到门槛梁受到侧面冲击时承受载荷的方向上，在靠近侧面碰撞位置金属部分相对较厚，厚度沿两边递减，纤维的铺层数量也是按照同样的规律，局部结构如图8(c)所示。
实施例七：
本发明提供一种纤维分层且金属管等厚度，即d＝0的金属/纤维复合材料薄壁结构，所述结构应用在汽车复合材料防撞梁上。
考虑到防撞梁主要承受汽车正面碰撞时的正面冲击，因此为了提高该结构的正面吸收能量的能力，将本发明所提及的变厚度结构应用到防撞梁受到正面冲击时承受载荷的方向上。在靠近正面碰撞位置金属的厚度分布和纤维层数的分布与实施例四相同，不再赘述，结构布置形式如图9(c)所示。
作为对比样品，本发明还制备了单一金属管的方管和圆管，单一复合材料层的方管和圆管，及复合材料层外包金属管的方管和圆管，所有样品均为等厚度样品，且所有样品总厚度与实施例三样品总厚度相同。
对实施例三复合材料层内嵌金属管的样品及制备的对比样品进行压溃实验，如图10所示，可以看出，无论是方管还是圆管，复合材料层外包于金属管的金属/纤维复合材料薄壁结构在轴向压溃过程中，其外部碳纤维发生局部屈曲的不稳定失效模式，并以较大碎片的形式从混合材料管的顶部掉落，破坏程度不充分；由于其外部碳纤维失效模式的改变(从单CFRP管的渐进失效模式变为局部屈曲的不稳定模式)，导致其能量吸收值均低于其单一组分材料吸能值之和。复合材料层内嵌于金属管的金属/纤维复合材料薄壁结构在轴向压溃过程中，表现出与复合材料层外包金属管的金属/纤维复合材料薄壁结构截然不同的变形模式；其外部铝管形成向外翻转的变形模式，内部碳纤维向内卷曲形成细小的碎片，表现出渐进失效模式，这使得该金属/纤维复合材料薄壁结构在压溃下的能量吸收值均超过与其对应的单一材料管吸能值之和。表明该复合材料层内嵌于金属管的金属/纤维复合材料薄壁结构具有较强的吸收能量的效果，耐撞性能有了很大的提升，相比于单一材料管和复合材料层外包金属管的金属/纤维复合材料薄壁结构，该金属/纤维复合材料薄壁结构具有较强的耐撞性能。由四种形式实验的载荷位移曲线(e)、(f)及吸能总量(g)可知，复合材料层位于金属管内侧的金属/纤维复合材料薄壁结构受到冲击载荷时，能够吸收更多的能量，并且材料利用率更高，在碰撞过程中，冲击力比较平稳，具有更好的耐撞性能，相对于方管，圆管能够吸收更多的能量。将本发明所述的结构用于汽车车身结构上时，不仅提高了结构的耐撞性和整车的安全性能，还实现了车身结构轻量化的目的。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还可以理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属/纤维复合材料薄壁结构，其特征在于，包括：金属管和设置在金属管内壁上的复合材料层；复合材料层由纤维和树脂复合得到。
2.根据权利要求1所述的金属/纤维复合材料薄壁结构，其特征在于，复合材料层为等厚度结构；金属管自一端至另一端厚度梯度变化，金属管自一端至另一端等分为n个厚度区域，各厚度区域的厚度按照如下公式计算得到：
Figure FDA0003811650420000011
其中1≤i≤n,n＝1,2,3…；h1为最小厚度区域厚度值；hn为最大厚度区域厚度值；i为第i个厚度区域；n为整个金属管的厚度区域数，将金属管n等分；d为梯度值。
3.根据权利要求1所述的金属/纤维复合材料薄壁结构，其特征在于，复合材料层为等厚度结构；金属管为等厚度结构。
4.根据权利要求1所述的金属/纤维复合材料薄壁结构，其特征在于，金属管自一端至另一端厚度梯度变化，金属管自一端至另一端等分为n个厚度区域，各厚度区域的厚度按照如下公式计算得到：
Figure FDA0003811650420000012
其中1≤i≤n,n＝1,2,3…；h1为最小厚度区域厚度值；hn为最大厚度区域厚度值；i为第i个厚度区域；n为整个金属管的厚度区域数，将金属管n等分；d为梯度值；
复合材料层自一端至另一等分为n个与金属管相同的厚度区域，复合材料层由至少一层复合材料单层板叠加而成；复合材料层的厚度规律为：
ti＝kmn
其中，ti表示第i个厚度区域的复合材料层的厚度；m为复合材料单层板的厚度；k表示每相邻两个厚度区域的厚度相差k层复合材料单层板的厚度。
5.根据权利要求1所述的金属/纤维复合材料薄壁结构，其特征在于，金属管为等厚度结构；复合材料层自一端至另一等分为n个厚度区域，复合材料层由至少一层复合材料单层板叠加而成；复合材料层的厚度规律为：
ti＝kmn
其中，ti表示第i个厚度区域的复合材料层的厚度；m为复合材料单层板的厚度；k表示每相邻两个厚度区域的厚度相差k层复合材料单层板的厚度。
6.权利要求1-5任一项所述的金属/纤维复合材料薄壁结构的制作方法，其特征在于，将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，将环氧树脂膜缠绕在芯棒上，再将纤维预浸料缠绕在环氧树脂膜上；然后将芯棒抽出，将缠绕好的纤维预浸料和环氧树脂膜一起放入金属管内，得到复合材料金属管，将气囊放入复合材料金属管内中，将填充气囊的复合材料金属管放入到模具中，合模、充气，加热，保温保压，得到金属/纤维复合材料薄壁结构。
7.权利要求1-5任一项所述的金属/纤维复合材料薄壁结构的制作方法，其特征在于，将树脂浆料浸入纤维布得到纤维预浸料，采用柔性轧辊工艺，对金属板胚料轧制，得到预设厚度的金属板，将纤维预浸料平铺在金属板上，然后放置在冲压模具中进行加热冲压，得到金属/纤维复合材料薄壁结构。
8.一种汽车防撞梁，其特征在于，其结构为权利要求1-5任一项所述的金属/纤维复合材料薄壁结构。
9.一种汽车前纵梁，其特征在于，其结构为权利要求1-5任一项所述的金属/纤维复合材料薄壁结构。
10.一种汽车门槛梁，其特征在于，其结构为权利要求1-5任一项所述的金属/纤维复合材料薄壁结构。
CN202211017816.6A 2022-08-23 2022-08-23 一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用 Pending CN115366835A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211017816.6A CN115366835A (zh) 2022-08-23 2022-08-23 一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202211017816.6A CN115366835A (zh) 2022-08-23 2022-08-23 一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN115366835A true CN115366835A (zh) 2022-11-22

Family

ID=84068374

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202211017816.6A Pending CN115366835A (zh) 2022-08-23 2022-08-23 一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN115366835A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN105398099B (zh) 一种梯度蜂窝复合体及其制作方法和应用结构
CN108583485B (zh) 一种多胞金属基碳纤维复合薄壁吸能结构及其制备工艺
Lyu et al. Research trends in polymer materials for use in lightweight vehicles
CN106114429B (zh) 复合结构汽车保险杠防撞梁及制造方法
CN110405033A (zh) 一种高强铝合金热冲压-纤维热固化复合再增强成形工艺
US10052851B2 (en) Fiber reinforced plastic member for vehicle and method of producing the same
CN112032233A (zh) 一种高比吸能的仿生复合材料结构和制造方法
CN107651020A (zh) 一种纤维和金属复合材料构成的赛车防撞梁
WO2012052219A1 (de) Bauweise für pkw / nfz leichtbaukammerfelgen umfassend bauweise, materialkonzept, konstruktionsmerkmale und herstellverfahren
CN205871968U (zh) 复合结构汽车保险杠防撞梁
Ghoushji et al. Crashworthiness characteristics of natural ramie/bio-epoxy composite tubes for energy absorption application
CN111231366A (zh) Cfrp/铝合金热成形淬火时效共固化一体化成形方法
CN115366835A (zh) 一种金属/纤维复合材料薄壁结构及其制作方法和应用
Begum et al. Analysis of digital light synthesis based flexible and rigid polyurethane for applications in automobile bumpers
CN109318510A (zh) 一种碳纤维复合成型新能源汽车外壳及制备方法
CN219600459U (zh) 复合材料板簧模具、复合材料板簧
CN111169039A (zh) 一种汽车用碳纤维复合材料b柱加强件的制备方法
CN113232327B (zh) 纤维-金属混杂的薄壁结构制备方法、复合管成形方法及滚压成形装置
Taylor et al. Evaluation of a concept out-of-autoclave process for manufacturing carbon fibre reinforced polymer automotive parts
CN113977990A (zh) 一种提高金属/cfrp复合材料构件抗拉强度的制备方法
CN114313024B (zh) 一种复合材料汽车门槛及其制备方法
CN113752668A (zh) 一种叶脉仿生负泊松比结构的纤维金属层板制备方法
CN114211774A (zh) 一种基于热模压成型工艺的复合材料波纹板-管负泊松比结构及制备方法
US20180051142A1 (en) Method and system of producing fiber reinforced plastic
KR101428091B1 (ko) 자동차용 하이브리드 충격 흡수봉의 제조방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination