热塑性门是汽车复合材料的首创

汽车原始设备制造商和一级供应商正在努力解决减少车辆质量以满足燃油经济性和碳排放目标的需求。复合材料有可能在许多领域对轻量化做出重大贡献，但成本、设计问题、不熟悉的加工和来自其他材料的竞争继续存在障碍。为了克服这些问题，许多项目正在研究如何将复合材料集成到多材料汽车结构中以获得最大收益。

克莱姆森大学（美国南卡罗来纳州克莱姆森）复合材料中心、克莱姆森大学国际汽车研究中心 (CU-ICAR) 和本田研发美洲公司（雷蒙德，俄亥俄州）正在开展一项解决复合材料如何减少汽车承重结构的项目，美国），得到特拉华大学复合材料中心（CCM，纽瓦克，美国）的支持和美国能源部（美国能源部，华盛顿特区，美国）的资助。

首席研究员斯里坎特·皮拉博士说，该项目的重点是复合材料是否能够实现超轻型封闭系统——门、引擎盖、行李箱盖——的问题补充动力总成技术和更好的空气动力学方面的同步进步：“在轻量化技术组合中，许多‘唾手可得的果实’已经实施——例如，发动机的小型化。我们相信，在价格合理的承重结构封闭系统领域有提高效率的潜力。”

协作、团队是关键

这个为期四年的项目始于 2016 年，是美国能源部的征集计划，是奥巴马政府一系列重大挑战的一部分，旨在在许多主题上进一步推进科学和工程，包括满足汽车排放标准。提案请求要求设计和开发一种车门，与标准 OEM 车门相比重量减轻 42.5%，同时保持类似的碰撞性能、耐用性和使用/误用性能以及类似的噪音、振动和声振粗糙度 (NVH) 性能.而且，无论轻量化车门是如何设计的，它都必须使用市售材料系统，并且必须达到每年至少 20,000 辆汽车的生产量。

本田作为该研究项目的 OEM 顾问加入该项目，是因为该项目符合“我们最终创建零排放社会的愿景”，本田美洲研发中心高级规划与验证车辆开发基金会首席工程师 Skye Malcolm 说。本田还对该项目添加了自己的限制，他补充说：“团队开发的车门设计必须使用相同的密封几何形状，具有与基准车门相同的所有功能设备，提供与普通车门无法区分的 A 级饰面。基线并满足本田的耐用性和老化要求。”该团队提出了一个额外的目标，即门是 100% 可回收的。也许最重要的是，美国能源部规定每磅节省的重量（超过基准门）的最大允许成本为 5 美元。这意味着对于典型的讴歌 MDX 门重 31.8 公斤，减轻 42.5% 的重量将使总体目标重量达到 18.3 公斤，这（每磅减轻重量 5 美元）意味着复合门只能增加 门的费用为 150 美元。

在该项目上支持 Pilla 的是几名本科生和研究生，克莱姆森工程力学教授 Gang Li 博士和博士。特拉华大学 CCM 的 Bazle Haque 和 Shridhar Yarlagadda，多材料复合材料专家。该项目的联合首席研究员 Yarlagadda 指出：“本田一直是我们努力不可或缺的一部分，并为我们的项目提供了卓越的合作和承诺，包括 HPC 计算支持和本田工程师的访问权限。复合材料部件的设计、制造和集成必须与许多客户驱动的‘软’要求相结合，以创建可接受的系统设计，如果没有本田的支持，这是不可能实现的。”其他团队成员也有这种看法，皮拉补充道：“简单的材料替代不是解决方案。我们必须研究系统方法，本田帮助我们了解所有车门系统元素，直至组件级别。事实上，他们的伙伴关系和参与是无与伦比的。”

设计一扇新门

初步分析，包括对其他 OEM 在有限市场车型的轻质封闭件方面所做的努力进行基准测试，包括奥迪 A8 的铝制门框 模型，保时捷 Panamera 镁制门框和宝马的 i8 碳纤维增强热固性门框。然而，这些以前的 OEM 方法都没有达到该项目的成本或重量目标。皮拉说：“我想成为有益于未来的事物的一部分，这将有助于循环经济。之前从未尝试过使用热塑性塑料门，它可以回收利用。”当与其他候选材料（包括热固性复合材料、铝和钢）叠加时，热塑性塑料不仅具有可回收性，而且在实现生产目标的轻量化和快速加工速度（与热固性材料相比）方面具有非常高的潜力。

使用原版讴歌 MDX 以门为基准（图 1），该团队分解了其材料组合：62% 的金属、21% 的刚性纯聚合物、13% 的玻璃和 4% 的弹性体。 60% 的最大轻量化机会来自金属门框，该团队打算将其从 15.4 公斤的基线重量减少到 6.2 公斤的目标重量。虽然没有机会减轻门的内部组件和电子设备（收音机扬声器、升降窗的伺服、门锁等）的重量，但该团队确定窗玻璃的重量可以减少 20%，也许使玻璃更薄，但不影响 NVH 和耐用性的目标指标。此外，该团队估计门内表面装饰元件的重量可以减少 30%，甚至可以消除。

该项目的主要任务在前两年同时进行。一些团队成员致力于材料数据的生成，而其他人则处理门的设计细节。材料数据组生成了各种热塑性塑料的材料测试数据——连续带、垫子、短纤维和长纤维增强聚合物等——以确定内框架和外板的候选材料；材料由许多行业供应商合作伙伴提供。数据通过蜘蛛图进行评估，总强度、剪切强度、允许成本、允许密度、刚度和韧性构成图表轴。

Pilla 解释说，初始数据评估后性能最佳的材料选项——连续纤维带和长纤维增强热塑性颗粒——进行了材料建模，Pilla 解释说：“基于胡克的理论，可以为连续纤维带构建一个简单的正交各向异性材料刚度矩阵。法律。”然而，对于长纤维增强聚合物，由于最终部件几何形状和模具填充过程都会引入各向异性，因此需要二次模拟来预测注塑成型门部件的强度和刚度。 Pilla 补充道，“对这些长纤维材料进行建模很困难，因为在仿真方面做得还不够多。”为了收集所需的数据，该团队开发了一个制造优化循环。门的内框架和外板的通用零件形状是使用 Dassault Systémes（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）的 SolidWorks 3D 设计软件生成的；借助 Moldex（台湾楚北市）的 Moldex3D 软件，对这些形状进行充模模拟以确定熔体流动矢量；通过来自 e-Xstream（Hautcharage，卢森堡，Hexagon 公司）的 Digimat 软件分析熔体流动动力学和共谋以确定纤维取向；使用有限元分析 (FEA) 工具（包括 Altair Engineering Inc.（美国密歇根州特洛伊）的 HyperWorks CAE 解决方案提供的材料卡，使用映射的纤维方向生成刚度矩阵。随着零件形状的修改和材料的测试，优化循环会重复多次。

同时，其他团队成员致力于实际的门概念开发，并最终进行模具和制造模拟。从粗略的草图和高级材料选择开始，创建了一系列设计。然后，生成粗略的 CAD 模型，以及针对简单静态载荷情况的初始 FEA 模拟。 Pilla 说，2016 年秋天，在 CU-ICAR 举办了一个设计研讨会，团队将门的概念选择范围缩小到七个，以进行进一步的工作。 “我们从一开始的设计理念就是最大限度地实现零件和材料的功能集成，最大限度地减少零件数量，通过优化和简化组装最大限度地提高材料利用率，”皮拉说。

此时，生成了详细的 CAD 模型，并对每个概念进行了 FEA 模拟，以验证静态性能是否符合本田的目标。考虑到子系统的可制造性和集成性，Concept 7（空间框架方法）开始向Concept 2（整体结构框架）收敛，因此团队决定继续Concept 2，并结合从空间框架方法中吸取的经验教训.该概念由四个元素组成：外部 A 类面板、车门内部构件、内部框架或面板以及内部装饰元素。

多材质内层，A级外层

该团队在 2018 年年中为最终的门设计选择了材料和制造工艺，并于 2019 年 1 月 15 日冻结了设计；模具制造和原型制作已经开始。图 2 显示了 1.2 毫米厚的内部框架及其组件的详细信息（未显示外部 A 类面板）。 “腰线”是指由窗玻璃下边缘形成的造型线，其中放置了加强筋以帮助支撑模制复合板。 Pilla 指出，为了在发生侧面碰撞时保护乘客，防闯入横梁必须保留在钢中以降低门的整体重量——具有相同性能的复合横梁会太重。设计的一个关键要素是用于将内框架连接到外板的紧固系统。 Pilla 解释说：“外部 A 级面板将在装配线的末端连接到门上，这将使员工能够轻松地预先安装门内件，并防止在装配过程中对 A 级表面造成任何损坏。”他补充说，内框架上的模制卡扣配合特征是可调节的，以适应 Y 方向的制造公差，而金属紧固件的槽孔有助于在组装过程中补偿 X 和 Z 方向的制造公差。

为了减轻重量，当前的车门设计没有传统的内饰板。取而代之的是，设计了一些功能性模制部件，包括一个注塑成型的地图袋、一个用 ABS 塑料背模成型的天然木材扶手，以及一些用泡沫层压的皮革衬垫。这些部件的总重量为 1.34 千克，而基准内部面板为 3.49 千克。 Pilla 表示，该团队希望通过设计优化来减轻重量。

目前，FEA 分析和优化正在进行中，以模拟复合门必须承受的静态载荷情况和动态碰撞载荷。仅静态载荷情况就令人生畏，包括门下垂、腰线刚度、后视镜安装刚度、门把手拉力刚度等。 Pilla 说，目前的动态负载测试包括联邦机动车辆安全标准 (FMVSS) 214 准静态杆测试，其中车门被一根杆子（未触及车顶和车身）向内挤压 18 英寸在保持所有最小力要求的同时：“与其他两个碰撞测试 [75° FMVSS 5 ^th 百分位女性 (AF5) 极点测试和公路安全侧面碰撞标准评估保险协会 (IIHS SICE) 测试]。这将使我们能够进行更多的设计实验和优化循环。”

Gang Li 补充道：“复合材料制造过程和结构性能模拟与优化算法的集成既有趣又具有挑战性。虽然挑战在于系统的复杂性和所涉及的计算规模，但这种集成将结构、材料和制造工艺设计空间融合在一起，为我们提供了更多轻量化和增强性能的机会。”而且，满足这个杆测试负载情况意味着门接近于满足另外两个杆和侧面碰撞测试，他补充道。

“到目前为止，我们的测试表明，复合门很容易满足联邦要求，但我们基准 Acura 门的综合性能远高于这些要求，”皮拉说。迄今为止的 FEA 结果表明，轻质复合材料门比基准门吸收更多的能量 (23.59 kJvs.15.34 kJ)，Pilla 将这归因于复合材料在初始屈服点之后吸收额外变形能量的能力。但是，模拟表明可以对外腰线加强筋和内框架的加固结构进行改进。

在最初的项目时间表还剩一年的时候，该小组正在生成制造模拟和工具方法；为生产线的放大和估计成本制定批量生产计划；并生产用于碰撞和机械性能测试、装配和完成测试以及加速老化的原型。

Pilla 说：“由于面板的厚度，复合门仍未达到目标，而且还没有完全优化。虽然我们比钢制基线轻得多，但我们还没有达到减轻 42.5% 的重量目标，但我们很乐观我们可以实现它。”用于配合和功能测试的原型门将很快准备就绪。项目团队认为，为这扇门开发的材料和技术可以轻松扩展到其他汽车部件（例如螺栓固定和白车身部件），并且复合材料工艺相对较低的基础设施成本可以实现新的OEM 和供应商实施这些技术 - 汽车复合材料的胜利。