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碳纖維復合材料輕量化橫拉桿應用開發(fā)

放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2018-05-17  瀏覽次數(shù):43
核心提示:德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)可靠性與結(jié)構(gòu)耐久性研究所的研究人員針對中級車開發(fā)出一款輕量化橫拉桿。該構(gòu)件采用碳纖維材料,與鋼質(zhì)的同
       德國弗勞恩霍夫系統(tǒng)可靠性與結(jié)構(gòu)耐久性研究所的研究人員針對中級車開發(fā)出一款輕量化橫拉桿。該構(gòu)件采用碳纖維材料,與鋼質(zhì)的同類構(gòu)件相比重量降低了35%。此外,研究人員還計劃在橫拉桿中集成多種功能, 使之能實現(xiàn)更高的故障允許誤差和使用舒適度。為此研究人員在構(gòu)件中采用了結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng)(SHM)和用于減少固體聲傳播的半主動系統(tǒng)。
 
       對于設計人員來說,如何保證纖維復合結(jié)構(gòu)的設計符合纖維特性并且確保構(gòu)件在使用時安全可靠是一個巨大的挑戰(zhàn)。
 
       與金屬相比,纖維復合材料在載荷情況下的行為更復雜,所以不能簡單地用纖維復合結(jié)構(gòu)替代金屬結(jié)構(gòu)??紤]到加工工藝以及纖維復合材料各向異性的原因,在設計時針對不同的材料需要采取不同的途徑。設計纖維復合材料時必須符合纖維的特性,所以這些強化纖維必須在載荷方向排列整齊。
 
       拉桿在負載情況“左轉(zhuǎn)剎車”時所受的張力
 
       達姆斯達特的研究者們面對的一個挑戰(zhàn)是如何使纖維復合材料構(gòu)件的制造適合批量化生產(chǎn)。研究結(jié)果表明,采用熱塑性材料矩陣的有機板坯特別適合大型與面型構(gòu)件制造。材料在模具中按照構(gòu)件的形狀注塑成型?;诓牧系臒峁绦运芰暇仃圀w系,可以考慮采用樹脂傳遞模塑方法加工構(gòu)件。
 
       LBF的研究人員強調(diào),要設計出穩(wěn)定可靠的汽車底盤零件,需要考慮到所有與零件運行有關的影響因素。構(gòu)件的載荷設計以在一個行駛周期中測量輪獲取的載荷集為基礎。這些數(shù)值組被換算成各個構(gòu)件所受的外力。臨界駕駛行為由駕駛行為導出,這些臨界值則作為假設載荷。按照研究人員的進一步解釋,不同的駕駛行為在載荷最高的區(qū)域引起了錯綜復雜的多軸向負荷狀態(tài),考慮到行駛安全,需要對這些狀態(tài)進行評估。
  
       優(yōu)化的敷層結(jié)構(gòu)
 
       研究人員對所采用的材料進行了試驗研究,根據(jù)研究成果構(gòu)建了材料模型基礎,并據(jù)此對壽命進行評估。借助于數(shù)字仿真方法,研究人員對各種載荷區(qū)域加以識別,結(jié)構(gòu)中的纖維增強材料需要根據(jù)載荷方向變化。研究表明,為了支持局域纖維增強,編織層需要采用敷層結(jié)構(gòu)。為了使編織層最佳適應應力載荷,對敷層構(gòu)造根據(jù)局域纖維方向加以數(shù)字優(yōu)化。
 
       光線揭示損傷
 
       高負載情形會使構(gòu)件結(jié)構(gòu)受損并縮短構(gòu)件的壽命,例如發(fā)生交通事故或者在路況很差的路面超載等。借助于由纖維光學傳感器和光電纜組成的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控系統(tǒng),研究人員可以在線監(jiān)控這些受損區(qū)域。當構(gòu)件被監(jiān)控區(qū)域產(chǎn)生了一條裂縫并且損傷加重時,該區(qū)域的變形則加劇,而纖維光學傳感器會捕獲這些變化。在超出所設定的最低值時,司機會得到相應的警報顯示。
 
       在纖維復合材料中的阻尼振動
 
       承受動態(tài)載荷的輕量化結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生振動,通常情況下會采用減振器之類的裝置減少振動。采用此種方法的缺點是需要額外的重量和空間。為此,弗勞恩霍夫LBF研究所的研究人員通過采用被動元件布線的壓電轉(zhuǎn)換器集成了減振器。其原理是采用感應線路和轉(zhuǎn)換器一起作為諧振線路,從而取代了機械減振器。為了實現(xiàn)高效,LBF研究者們在纖維復合材料構(gòu)件的研發(fā)過程中采用了這個半主動系統(tǒng),這樣就可以加工出同時具有重量低、阻尼性能良好的構(gòu)件。 
 
 
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