汽车轻量化技术学员二.pptx

《汽车轻量化技术学员二.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车轻量化技术学员二.pptx（80页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、1-294高强度高强度IF钢钢 应应用用：目前，IF钢主要用于汽车板深冲级和超深冲级冲压件如车身侧框架、车身后部底板、变速器 传 动 轴 盖 板、后部纵梁等的生产。BMW E60侧框架性性能能：IF钢的屈服点范围为180-260MPa,最大抗拉强度为440MPa，断裂延伸率A80为32%。这种钢板性能高度稳定、性能参数分散度小、屈强比低、塑性应变比r值和应变硬化指数n值高。第1页/共80页2-294冷轧各向同性钢（冷轧各向同性钢（IS钢钢 ）冷轧各向同性钢屈服点范围为210-300MPa,最大抗拉强度为440 MPa，断裂延伸率A80为36%。一般为低碳钢，主要通过Mn和P固溶强化。有好的成形

2、性和抗时效性，适于制造汽车外板。车门外板第2页/共80页3-294烘烤硬化钢烘烤硬化钢(BH钢钢)BH钢的屈服强度一般在140-220MPa,最大抗拉强度为500 MPa，断裂延伸率A80为30%.可为低碳或超低碳，主要通过Mn和P固溶强化。烘烤后易发生时效，屈服强度上升，有利于抗凹陷性。缺点是易时效，保质期短。其机理是高温C、N原子扩散速度加快，位错聚集而强化材料。应用：应用：主要用于制造发动机罩外板、行李箱外板、侧围外板、A柱下部加强件、行李箱上部隔板、变速箱传动轴盖板的连接板等。第3页/共80页4-294高强度低合金钢高强度低合金钢 （HSLA钢）钢）性性能能：高强度低合金钢屈服点范围为

3、340-420N/mm2,最大抗拉强度为620 N/mm2断裂延伸率A80为20%.高强度低合金钢用于对强度和防撞要求较高的部件，但其成形度不高。后部发动机支架应应用用：可用于A柱上部加强件、车门槛加长件、前部内侧侧框架、内侧B柱、后部发动机支架和内部侧框架等。第4页/共80页5-294具具有有更更加加优优越越的的性性能能：屈强比低；力学性能均匀;碰撞吸能疲劳寿命高；合适的应变速率敏感性（提高了撞击抗力和安全性）；良好的烘烤硬化性2 先进高强钢AHSS其强度在500MPa到1500MPa之间，指需要采用先进设备及工艺方法才能生产出来的钢板，包括双相钢板（DP钢板）、相变诱发塑性钢板（TRIP钢

4、板）和马氏体钢板（M钢板或Mart钢板）、热成形钢等。第5页/共80页6-294双相钢双相钢 （DPDP钢）钢）性能：性能：这种钢材的屈服点范围是300340 MPa，最大抗拉强度是600 MPa，断裂延伸率A80是20。组织由马氏体硬度和马氏体的量决定。这种钢具有良好的强度和延性匹配，制造方法较为容易和方便应用：应用：在碰撞时要承受巨大能量的具有高强度的结构件，或者具有高抗压强度的车身覆盖件第6页/共80页7-294TRIP钢（相变诱发塑性钢）钢（相变诱发塑性钢）性能：性能：这种钢屈服点范围为380-450MPa,最大抗拉强度为800 MPa，断裂延伸率A80为25%.TRIP钢具有高水平的

5、吸能，并且TRIP钢在整个均匀延伸阶段都具有高水平的n值和高的烘烤硬化性，这些特征正是汽车用高强度高成形性汽车板所期望的。BMW E60A柱内部应应用用：TRIP主要用于碰撞时必须吸收较多能量的高强度结构件和安全件。组织：铁素体贝氏体残余奥氏体第7页/共80页8-294马氏体钢（马氏体钢（M钢）钢）性能：性能：马氏体钢的屈服点范围为750-1100MPa,最大抗拉强度为1400 MPa，断裂延伸率A80为5%.BMW E60车门防撞杆应应用用：对防撞要求很高的部件（即在很短的变形行程内要吸收大量的能量）一般由M钢制成。如门B柱，汽车侧门的内防撞杆等。组织几乎全部由低碳马氏体组成第8页/共80页

6、9-294热成形钢热成形钢（含微量硼合金元素的合金钢）性性能能：供货态强度仅500-600MPa,经加热、成形和模冷后，强度可达1500MPa。最终组织由低碳马氏体组成。可硬化性明显改善，加工后的部件最小屈服点达到1300 N/mm2.使用硼钢可以最大限度的减轻重量。应应用用：主要应用于前、后保险杠骨架以及A柱、B柱等重点部位，在发生撞击时，尤其在正面和侧面撞击时，可有效减少驾驶舱变形，保护驾乘人员的安全。第9页/共80页10-294各种高强钢在车身上典型应用各种高强钢在车身上典型应用第10页/共80页11-294 高强钢的力学性能与普通低碳钢有很大差异，由高强钢板替代普通低碳钢，会出现因材料

7、强度增加、力学性能下降而产生的成形方面的问题及不利因素。在高强钢板成形时，比普通钢板更容易产生破裂破裂、回弹回弹、尺尺寸和形状精度不高寸和形状精度不高的倾向，且成形裕度低成形裕度低。高强钢板成形的关键技术研究及开发是目前提高其成形性能高强钢板成形的关键技术研究及开发是目前提高其成形性能和扩大其应用的重要瓶颈问题。和扩大其应用的重要瓶颈问题。高强钢成形难点高强钢成形难点第11页/共80页12-2943.1 3.1 新材料在汽车上的应用新材料在汽车上的应用新材料在汽车上的应用新材料在汽车上的应用 轻金属在汽车上的应用轻金属在汽车上的应用 高强度钢在汽车上的应用高强度钢在汽车上的应用 其他材料的应用

8、其他材料的应用其他材料的应用其他材料的应用3.2 CAD/CAE3.2 CAD/CAE在汽车结构设计上的应用在汽车结构设计上的应用3.3 3.3 结构小型化结构小型化3.4 3.4 承载式车身在汽车上的应用承载式车身在汽车上的应用3.5 3.5 先进特种成形工艺的应用先进特种成形工艺的应用汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径第12页/共80页13-294汽车中主要的非金属部件汽车中主要的非金属部件美国中型轿车材料比例变化美国中型轿车材料比例变化(%)钢铁钢铁铝合金铝合金塑料塑料其它其它19806949181990605.512.516200051121819 其他材料的应用其他材料的应用第

9、13页/共80页14-294陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷材料材料材料材料非非非非金属金属金属金属材料材料材料材料橡胶橡胶橡胶橡胶材料材料材料材料工程工程工程工程塑料塑料塑料塑料其它其它其它其它纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强材料材料材料材料蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层材料材料材料材料第14页/共80页15-294陶瓷材料陶瓷材料特种陶瓷特种陶瓷纳米陶瓷纳米陶瓷陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料碳化硅：碳化硅：轴承、活塞氮化硅：氮化硅：轴承、密封圈氧化铝：氧化铝：发动机火花塞氧化锆：氧化锆：绝热柴油机零件1 1 分类分类陶瓷材料陶瓷材料第15页/共80页16-294特种陶瓷特种陶瓷l l优势：优势：高强度和硬

10、度、低密度、高耐蚀，耐磨和耐热性；其抗拉和弯曲强度可与金属相比l l不足：不足：加工困难、质脆、成本高、可靠性差l l应用：应用：主要用于汽车的各种耐磨耐高温零件，如活塞、气缸、发动机、配气机构零件等；其蜂窝多空结构可用于各种传感器、减震器、消声器、催化转化器载体等。陶瓷爆震传感器陶瓷爆震传感器第16页/共80页17-294 优势：优势：较特种陶瓷，强度、韧性和超塑性大为提高；烧制温度降低，加工和切削性优良，生产成本下降；耐磨、耐高温高压性、抗腐蚀性、气敏性优良纳米陶瓷纳米陶瓷l l 应用：应用：可制作连杆、推杆、轴承、气缸内衬、活塞顶、氧传感器材料、高温燃料电池及防震的陶瓷弹簧；可用于纳米陶

11、瓷涂层、纳米汽油、润滑剂等。三菱汽车活塞环活塞环表面渗纳米陶瓷层，一般寿命均在20万公里以上 第17页/共80页18-294陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料是在陶瓷基体中加入强化材料构成的复合材料l l 应用：应用：主要用在耐磨、耐蚀、耐高温以及对强度，比强度有较为特殊要求的部件。航空发动机典型件（可工作于1300摄氏度左右）l l 优势：优势：利用应变诱发相变增韧、微裂纹机制和裂纹偏转等韧化机理，在提高强度的同时，达到提高韧性，从而提高陶瓷材料的综合机械性能第18页/共80页19-294减轻车辆自重、提高发动机热效率降低油耗、减少排气污染提高易损件寿命完善汽车智能性功能等2 陶瓷在汽车上的应用（

12、1 1）应用意义：）应用意义：（2 2）实例：）实例：陶瓷催化净化器载体陶瓷催化净化器载体堇青石质蜂窝陶瓷载体催化净化器壳体 催化净化器内部是蜂窝状陶瓷载体，内置贵金属催化剂，能使有害尾气转化成无害的二氧化碳、氮气和水等。第19页/共80页20-294 陶瓷制动器陶瓷制动器保时捷的陶瓷制动系统（PCCB）：制动碟表面的摩擦系数比铸铁高25%，可提供充足的制动力；在活塞与制动片之间，装有陶瓷隔热体，可以在800下正常工作；在增强刹车性能的同时，降低车重20kg。保时捷PCCB复合陶瓷刹车盘奥迪A8W12轿车的陶瓷制动盘：比铸铁制动盘的质量降低了50%，寿命是钢质刹车盘的4倍。奥迪A8W12轿车的

13、陶瓷制动盘第20页/共80页21-294陶瓷涂层陶瓷涂层该涂层含有锆酸盐瓷，其好处在于：具有非常好的隔热保温效果具有高强度，高耐久性能抵抗震动，机械冲击和热骤变等外部干扰，对部件将有非常好的保护作用能够有效地防止排放系统和排气管因高温受热所导致的变形和老化兰博基尼Reventon车型采用等离子喷涂陶瓷涂层第21页/共80页22-2943 陶瓷在汽车制造业的发展前景 目前陶瓷在汽车的应用并不广泛，主要原因是:特种陶瓷对原材料要求比较严格，制造工艺复杂，成本居高不下，脆性，使用可靠性差。陶瓷基复合材料零件的价格远比金属零件高，制造时可能产生内部裂纹。纳米陶瓷的结构理论、物理特性还有待进一步完善。虽

14、然陶瓷在汽车上的应用还存在一些难题，但其优越的虽然陶瓷在汽车上的应用还存在一些难题，但其优越的特性特性越来越受到人们的关注。各国都投入大量人力、物力和财力研越来越受到人们的关注。各国都投入大量人力、物力和财力研究究开发新型陶瓷材料，研制汽车上的陶瓷零部件。相信不久的将开发新型陶瓷材料，研制汽车上的陶瓷零部件。相信不久的将来，陶瓷材料在汽车制造这一领域会有更大的突破。来，陶瓷材料在汽车制造这一领域会有更大的突破。第22页/共80页23-294陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷材料材料材料材料非非非非金属金属金属金属材料材料材料材料橡胶橡胶橡胶橡胶材料材料材料材料工程工程工程工程塑料塑料塑料塑料其它其它其它其它纤维

15、增强纤维增强纤维增强纤维增强材料材料材料材料蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层材料材料材料材料 其他材料的应用其他材料的应用第23页/共80页24-294工程塑工程塑料料 热塑性塑料热塑性塑料热塑性塑料热塑性塑料 热固性塑料热固性塑料热固性塑料热固性塑料 橡胶状塑料橡胶状塑料橡胶状塑料橡胶状塑料 酚醛树脂等等 聚氨酯乙丙橡胶等等不饱和聚酯环氧树脂聚氯乙烯聚丙烯ABS树脂饱和树脂尼龙树脂聚甲醛聚碳酸酯等1 1 分类分类工程塑料工程塑料第24页/共80页25-294 每每100kg100kg的塑料可替代其它材料的塑料可替代其它材料200200300kg300kg，可减少汽车自，可减少汽车自重，增加有

16、效载荷；重，增加有效载荷；柔韧性较好，耐磨，避震，单位质量的塑料的抗冲击性不逊于柔韧性较好，耐磨，避震，单位质量的塑料的抗冲击性不逊于金属；金属；复杂的制品可一次成型，生产效率高，成本较低，经济效益显复杂的制品可一次成型，生产效率高，成本较低，经济效益显著，如果以单位体积计算，生产塑料制件的费用仅为有色金属著，如果以单位体积计算，生产塑料制件的费用仅为有色金属的的1/10 1/10；可回收利用，且每可回收利用，且每100km100km节油在节油在0.5L0.5L以上；以上；对酸、碱、盐等化学物质的腐蚀均有抵抗能力，硬聚氯乙烯，对酸、碱、盐等化学物质的腐蚀均有抵抗能力，硬聚氯乙烯，它可耐浓度达它

17、可耐浓度达90%90%的浓硫酸，各种浓度的盐酸和碱液的浓硫酸，各种浓度的盐酸和碱液 2 2 工程塑料轻量化优势工程塑料轻量化优势第25页/共80页26-2943 工程塑料在汽车上的应用 塑料名称塑料名称在汽车上的应用在汽车上的应用聚丙烯（聚丙烯（PP）保险杠、仪表盘、门内饰板、空调零部件、蓄电池外壳、冷却风扇、方向盘ABS树脂树脂收音机壳、仪表壳、制冷与采暖系统、工具箱、扶手、散热格板、变速箱壳、内护板、反射镜壳体聚氯乙烯聚氯乙烯PVC电线电缆包材、外装材料、地板垫、嵌材聚氨酯（聚氨酯（PUR）座椅、仪表板、翼子板、车内地板、遮阳板、减振器、护板、保险杠聚乙烯（聚乙烯（PE）内护板、地板、油箱

18、、行李架、刮水器、扶手骨架聚碳酸酯（聚碳酸酯（PC）保险杠、前端板、车门把手、挡泥板、前灯聚酰胺（聚酰胺（PA）散热器盖、衬套、齿轮、皮带轮、气缸头盖、水泵叶轮聚甲醛（聚甲醛（POM）加载齿轮、燃油系统、电气设备系统、各种轴承、衬套热塑性聚酯热塑性聚酯（PBT、PET）汽车保险杠、汽车反射镜外壳、车外部把手、安全气囊通电部件、雾灯、音响喇叭、顶棚第26页/共80页27-294汽车里程表/门窗摇机工程塑料蜗杆尼龙发动机罩盖尼龙汽车进气歧管第27页/共80页28-294汽车塑料制品根据其应用部位，可分为内装件、外装件、功能汽车塑料制品根据其应用部位，可分为内装件、外装件、功能件件戴姆勒公司的世界首

19、款商业化塑料油底盒模块(赢得塑料工程师学会汽车分会颁发的塑料创新使用奖)工程塑料在汽车内装件和外装件上的应用工程塑料在汽车内装件和外装件上的应用由聚丁烯对苯二甲酸酯和长纤维增强热塑性塑料制造的大众汽车的天窗框架第28页/共80页29-294 4 工程塑料在汽车制造业的发展和前景 l在日本、美国和欧洲等发达国家中，每辆轿车平均使用塑料已超过150Kg，占汽车总重量的10%l我国每辆轿车塑料用量平均为100kg，占总重量的8%左右，达到国外20世纪80年代中期的水平kg/cakg/car r汽车上塑料的使用量每年呈递增趋势第29页/共80页30-294 我国车用塑料的应用还存在一定问题：我国车用塑

20、料的应用还存在一定问题：我国车用塑料的应用还存在一定问题：我国车用塑料的应用还存在一定问题：（1）汽车专用塑料牌号少，产品性能不足；（2）汽车用塑料标准混乱，不利于大批量生产与应用；（3）缺乏生产汽车专用塑料的领头企业，现有生产企业规模小而分散，技 术水平不一，塑料制品产品质量难以保证今后的车用材料，正由金属向塑料方向转化，但塑料比金属材料的强度差，一般情况下，塑料化要随之增加零件壁厚，因此今后有待开发出既便宜又有高强度的塑料。可以预料，塑料在汽车工可以预料，塑料在汽车工业上的应用将会越来越广泛，业上的应用将会越来越广泛，开发并使用全塑汽车已不是梦开发并使用全塑汽车已不是梦想，一个塑化的汽车工

21、业时代想，一个塑化的汽车工业时代即将到来。即将到来。杰事杰新材料股份有限公司展出的采用特殊塑料制成的轿车骨架杰事杰新材料股份有限公司展出的采用特殊塑料制成的轿车骨架第30页/共80页31-294陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷材料材料材料材料非非非非金属金属金属金属材料材料材料材料橡胶橡胶橡胶橡胶材料材料材料材料工程工程工程工程塑料塑料塑料塑料其它其它其它其它纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强材料材料材料材料蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层材料材料材料材料 其他材料的应用其他材料的应用第31页/共80页32-294树脂传递模塑材料树脂传递模塑材料 (RTM)(RTM)玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强塑料玻璃纤维增强

22、塑料玻璃纤维增强塑料 （GFRPGFRP）碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料碳纤维增强塑料 （CFRPCFRP）纤维增强金属纤维增强金属纤维增强金属纤维增强金属 （FRMFRM）片状片状/块状模压复合塑料块状模压复合塑料 (SMC/BMC)(SMC/BMC)玻璃纤维毡增强热塑性材料玻璃纤维毡增强热塑性材料 (GMT)(GMT)分类分类纤维增强材料 常用常用 纤维增强材料纤维增强材料第32页/共80页33-294SMC是用低粘度的树脂复合物浸渍片状玻璃纤维而制成的片状模压塑料复合材料 优势优势：与钢质零件相比，SMC生产周期短，便于汽车改型，投资效益好；质量较轻，节约燃油；设计自由；制件

23、整体性好，零件数量少；耐用性和隔热性好 不足：不足：SMC不可回收，污染环境；一次性投资往往高于对应的钢质件车身常用钢材与SMC材料的性能比较材料材料密度密度/g gcm-3抗拉强度抗拉强度/MPa抗弯强度抗弯强度/MPa弹性模量弹性模量/GPa08#7.55323196205SMC1.82.2245120235SMCSMC材料材料第33页/共80页34-294SMC主要应用在车身及车身部件、内装饰部件、发动机盖下部件、悬架零件等。其中发动机罩发动机罩发动机罩发动机罩、车顶车顶车顶车顶、保险杠保险杠保险杠保险杠是最重要，产量最大的SMC部件。福特金牛座轿车的前围里的下散热器托架，原钢制品有福特

24、金牛座轿车的前围里的下散热器托架，原钢制品有福特金牛座轿车的前围里的下散热器托架，原钢制品有福特金牛座轿车的前围里的下散热器托架，原钢制品有2222个零件，而应个零件，而应个零件，而应个零件，而应用用用用SMGSMG只需只需只需只需2 2件，质量大减，成本降低件，质量大减，成本降低件，质量大减，成本降低件，质量大减，成本降低14%14%美国通用汽车公司生产的美国通用汽车公司生产的美国通用汽车公司生产的美国通用汽车公司生产的SMCSMCSMCSMC车门、用含车门、用含车门、用含车门、用含30%30%30%30%的短切纤维模压而成的短切纤维模压而成的短切纤维模压而成的短切纤维模压而成,结构结构结构

25、结构框架采用含框架采用含框架采用含框架采用含30%30%30%30%的连续纤维和的连续纤维和的连续纤维和的连续纤维和20%20%20%20%的短切纤维的的短切纤维的的短切纤维的的短切纤维的SMCSMCSMCSMC模压而成模压而成模压而成模压而成,比钢门减轻了比钢门减轻了比钢门减轻了比钢门减轻了18.1kg18.1kg18.1kg18.1kg第34页/共80页35-294SMC大型汽车车门大型汽车车门 SMC保险杠保险杠SMC发动机缸盖罩发动机缸盖罩 SMCBMC电机端盖第35页/共80页36-294GMT材料GMT是一种以热塑性树脂为基体,以玻璃纤维毡为增强骨架的复合材料。主要用于生产电池托盘

26、架、保险杠、座椅骨架、前端组件、仪表板、门模块、后举门、挡泥板、地板、隔声板、发动机罩、备胎箱、气瓶隔板、压缩机支架等。优势：优势：具有轻质高强，耐腐蚀、易成型的特点；与SMC相比，韧性好、成型周期短、生产效率高、加工成本低，可回收利用。被视为被视为21世纪绿色材料世纪绿色材料。GMTGMT在国外早已是成熟产品，有在国外早已是成熟产品，有在国外早已是成熟产品，有在国外早已是成熟产品，有80%80%用于汽车工业。用于汽车工业。用于汽车工业。用于汽车工业。江阴双良复合材料公司是国内首家大规模生产江阴双良复合材料公司是国内首家大规模生产江阴双良复合材料公司是国内首家大规模生产江阴双良复合材料公司是国

27、内首家大规模生产GMTGMT产品的厂家。产品的厂家。产品的厂家。产品的厂家。宝马公司采用宝马公司采用宝马公司采用宝马公司采用GMTGMT代替原来的金属代替原来的金属代替原来的金属代替原来的金属材料制造材料制造材料制造材料制造M3M3运动轿车的保险杠将质运动轿车的保险杠将质运动轿车的保险杠将质运动轿车的保险杠将质量至少减少了量至少减少了量至少减少了量至少减少了60%60%GMT材质汽车保险杠材质汽车保险杠第36页/共80页37-294RTM材料是在模具型腔中预先放置玻璃纤维增强材料，闭模锁紧后，注入树脂胶液浸透玻纤增强材料，固化得到的复合材料 优势：优势：与SMC相比，模具成本降低，机械性能更好

28、；方向性和局部性增强，污染小 不足：不足：生产效率低于SMC，一般情况下较适合于多品种、小批量的产品ASTON MARTIN跑车的RTM车身侧围板 RTM RTM在汽车中应用广泛，在汽车中应用广泛，在汽车中应用广泛，在汽车中应用广泛，如乘用车的车顶、后厢盖、侧如乘用车的车顶、后厢盖、侧如乘用车的车顶、后厢盖、侧如乘用车的车顶、后厢盖、侧门框和备胎仓，以及卡车的整门框和备胎仓，以及卡车的整门框和备胎仓，以及卡车的整门框和备胎仓，以及卡车的整体驾驶室、挡泥板和储物箱门体驾驶室、挡泥板和储物箱门体驾驶室、挡泥板和储物箱门体驾驶室、挡泥板和储物箱门等。等。等。等。第37页/共80页38-294CFRP

29、材料 优势：优势：具有足够的强度和刚度，很好的耐蠕变性能、耐腐蚀性能、耐 磨性，导电、X射线穿透性好，电磁屏蔽性好，振动衰减快、传导小。不足：不足：碳纤维的高价格使之无法在汽车领域广泛应用。美国、欧洲、日本等正在研究廉价碳纤维原丝和碳纤维的低美国、欧洲、日本等正在研究廉价碳纤维原丝和碳纤维的低美国、欧洲、日本等正在研究廉价碳纤维原丝和碳纤维的低美国、欧洲、日本等正在研究廉价碳纤维原丝和碳纤维的低成本、成本、成本、成本、高速率的生产工艺。高速率的生产工艺。高速率的生产工艺。高速率的生产工艺。CFRP CFRP是适于制造汽车车身、是适于制造汽车车身、是适于制造汽车车身、是适于制造汽车车身、底盘等主

30、要结构件的最轻材料。可底盘等主要结构件的最轻材料。可底盘等主要结构件的最轻材料。可底盘等主要结构件的最轻材料。可使汽车车身、底盘质量减轻使汽车车身、底盘质量减轻使汽车车身、底盘质量减轻使汽车车身、底盘质量减轻40%60%40%60%，相当于钢结构质量的相当于钢结构质量的相当于钢结构质量的相当于钢结构质量的1/31/61/31/6。目前碳纤维增强复合材料目前碳纤维增强复合材料目前碳纤维增强复合材料目前碳纤维增强复合材料已用于赛车、重卡、混合动力车的已用于赛车、重卡、混合动力车的已用于赛车、重卡、混合动力车的已用于赛车、重卡、混合动力车的各种零部件的生产各种零部件的生产各种零部件的生产各种零部件的

31、生产CFRP座椅座椅第38页/共80页39-294 雷克萨斯超级跑车雷克萨斯超级跑车雷克萨斯超级跑车雷克萨斯超级跑车LF-ALF-ALF-ALF-A整车采用了碳纤维增强塑料整车采用了碳纤维增强塑料整车采用了碳纤维增强塑料整车采用了碳纤维增强塑料(CFRPCFRP)作为车作为车作为车作为车身材料，不但能够实现身材料，不但能够实现身材料，不但能够实现身材料，不但能够实现4 4倍于铝材的高强度，且降低了车身自重。倍于铝材的高强度，且降低了车身自重。倍于铝材的高强度，且降低了车身自重。倍于铝材的高强度，且降低了车身自重。雷克萨斯超级跑车雷克萨斯超级跑车LF-A宝马“BMW Concept Coupe”

32、车身采用重量较轻的CFRP 第39页/共80页40-294FRM材料 常用的FRM主要有铝基复合材料和镁基复合材料，增强材料主要是陶瓷纤维、碳纤维或SiC颗粒。FRMFRM具有高的比强度和比刚度、耐磨性好、导热性好、热膨胀具有高的比强度和比刚度、耐磨性好、导热性好、热膨胀系系数小等特性。数小等特性。在汽车上主要应用于汽车制动盘、制动鼓、制动钳、活塞、传在汽车上主要应用于汽车制动盘、制动鼓、制动钳、活塞、传动动轴以及轮胎螺栓等。铝基复合材料应用于刹车轮，使质量减少了轴以及轮胎螺栓等。铝基复合材料应用于刹车轮，使质量减少了30%60%30%60%，导热性好，最高使用温度可达到，导热性好，最高使用温

33、度可达到450450 法国雷诺汽车公司使用碳纤维增强铝驱动轴以增加刚度法国雷诺汽车公司使用碳纤维增强铝驱动轴以增加刚度法国雷诺汽车公司使用碳纤维增强铝驱动轴以增加刚度法国雷诺汽车公司使用碳纤维增强铝驱动轴以增加刚度。美国福特汽车公司采用硅、碳增强铝驱动轴。轮胎螺栓采用美国福特汽车公司采用硅、碳增强铝驱动轴。轮胎螺栓采用美国福特汽车公司采用硅、碳增强铝驱动轴。轮胎螺栓采用美国福特汽车公司采用硅、碳增强铝驱动轴。轮胎螺栓采用MMCMMC制造，质量降低制造，质量降低制造，质量降低制造，质量降低50%50%第40页/共80页41-294陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷材料材料材料材料非非非非金属金属金属金属材料材料材

34、料材料橡胶橡胶橡胶橡胶材料材料材料材料工程工程工程工程塑料塑料塑料塑料其它其它其它其它纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强材料材料材料材料蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层材料材料材料材料 其他材料的应用其他材料的应用第41页/共80页42-294蜂窝夹芯复合板是由两层薄而强的面板材料，中间夹一层厚而极轻的蜂窝组成。优势：优势：刚性大，减轻质量效果极为明显；具有良好的抗振、隔热、隔音性能；非常合适承受非集中载荷。蜂窝夹芯复合板典型结构 应用：应用：钢质蜂窝夹芯板可用于汽车钢质蜂窝夹芯板可用于汽车钢质蜂窝夹芯板可用于汽车钢质蜂窝夹芯板可用于汽车零件，质量可减轻零件，质量可减轻零件，质量可减轻零件，质量

35、可减轻35%35%左右；可左右；可左右；可左右；可用于开发防弹材料，应用于运钞用于开发防弹材料，应用于运钞用于开发防弹材料，应用于运钞用于开发防弹材料，应用于运钞车、装甲车等；还可做散热器芯车、装甲车等；还可做散热器芯车、装甲车等；还可做散热器芯车、装甲车等；还可做散热器芯和减震夹芯板和减震夹芯板和减震夹芯板和减震夹芯板 夹芯结构在汽车上已经有了夹芯结构在汽车上已经有了夹芯结构在汽车上已经有了夹芯结构在汽车上已经有了较多应用，大部分是用于车身外较多应用，大部分是用于车身外较多应用，大部分是用于车身外较多应用，大部分是用于车身外蒙皮、车身结构、车架结构、保蒙皮、车身结构、车架结构、保蒙皮、车身结

36、构、车架结构、保蒙皮、车身结构、车架结构、保险杠、座椅、车门等处险杠、座椅、车门等处险杠、座椅、车门等处险杠、座椅、车门等处蜂窝夹层材料蜂窝夹层材料第42页/共80页43-294 美国美国美国美国GMGMGMGM公司的汽车采用了新型的复合材料结构保险杠，主要由马氏体钢、公司的汽车采用了新型的复合材料结构保险杠，主要由马氏体钢、公司的汽车采用了新型的复合材料结构保险杠，主要由马氏体钢、公司的汽车采用了新型的复合材料结构保险杠，主要由马氏体钢、RIMRIMRIMRIM（反应注射模塑）纤维增强聚氨醋层和聚乙烯蜂窝层（起缓冲作用，取（反应注射模塑）纤维增强聚氨醋层和聚乙烯蜂窝层（起缓冲作用，取（反应注

37、射模塑）纤维增强聚氨醋层和聚乙烯蜂窝层（起缓冲作用，取（反应注射模塑）纤维增强聚氨醋层和聚乙烯蜂窝层（起缓冲作用，取代液体吸能器）组成，比钢的质量轻，并能够满足撞击试验要求代液体吸能器）组成，比钢的质量轻，并能够满足撞击试验要求代液体吸能器）组成，比钢的质量轻，并能够满足撞击试验要求代液体吸能器）组成，比钢的质量轻，并能够满足撞击试验要求玛莎拉蒂MC12承载式底盘采用碳纤维和NOMEX蜂窝夹层结构制造宾利大陆GT-改装版的扰流板采用碳纤维蜂窝矩阵（CFHM）结构第43页/共80页44-294陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷材料材料材料材料非非非非金属金属金属金属材料材料材料材料橡胶橡胶橡胶橡胶材料材料材料材料

38、工程工程工程工程塑料塑料塑料塑料其它其它其它其它纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强材料材料材料材料蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层材料材料材料材料其他材料的应用其他材料的应用第44页/共80页45-294 橡胶占汽车用材料总质量的橡胶占汽车用材料总质量的5%5%。主要用于汽车轮胎、门窗密封。主要用于汽车轮胎、门窗密封条、胶管、减震制品、传动带、防尘罩、胶带、油封、皮碗、皮条、胶管、减震制品、传动带、防尘罩、胶带、油封、皮碗、皮膜等部件。膜等部件。汽车上大量使用氟胶、硅胶和丙烯酸酷橡胶等高档胶和耐热弹性汽车上大量使用氟胶、硅胶和丙烯酸酷橡胶等高档胶和耐热弹性体是将来汽车橡胶发展的主流方向。体是将来

39、汽车橡胶发展的主流方向。减震制品减震制品等速万向节防尘罩等速万向节防尘罩l l用热塑性聚醋弹性体生产的等用热塑性聚醋弹性体生产的等速万向节防尘罩，取代原来的橡速万向节防尘罩，取代原来的橡胶，可轻量化胶，可轻量化50%50%。欧美、日本部分车上开始使用欧美、日本部分车上开始使用欧美、日本部分车上开始使用欧美、日本部分车上开始使用TPEETPEE材料，能在满足耐油、材料，能在满足耐油、材料，能在满足耐油、材料，能在满足耐油、耐热的同耐热的同耐热的同耐热的同时，实现轻量化的目的。时，实现轻量化的目的。时，实现轻量化的目的。时，实现轻量化的目的。橡胶橡胶第45页/共80页46-294陶瓷陶瓷陶瓷陶瓷材

40、料材料材料材料非非非非金属金属金属金属材料材料材料材料橡胶橡胶橡胶橡胶材料材料材料材料工程工程工程工程塑料塑料塑料塑料其它其它其它其它纤维增强纤维增强纤维增强纤维增强材料材料材料材料蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层蜂窝夹层材料材料材料材料其他材料的应用其他材料的应用第46页/共80页47-294 大麻大麻 以大麻和聚胺醋为原料的合成材料，除具有金属和玻璃纤维各有的优点外，价格更便宜，质量更轻，韧度更强，而且可以生物降解。纺织复合材料纺织复合材料 将纺织技术和现代复合材料的成型技术相结合，有效地克服传统复合材料的取向性和层合材料的面内力学性能不均匀、损伤容限低等缺点。在汽车工业中的应用越来越广泛。高强度

41、结构发泡材料高强度结构发泡材料 高强度结构发泡材料具有质量轻、可以制作复杂形状、加强效果明显等优点。法国雪铁龙Picasso C4和OPELAstra等采用预埋在接头处的高强度结构发泡材料来提高整车刚度。其它非金属材料其它非金属材料第47页/共80页48-2943.1 3.1 新材料在汽车上的应用新材料在汽车上的应用3.2 3.2 CAD/CAECAD/CAE在汽车结构设计上的应用在汽车结构设计上的应用在汽车结构设计上的应用在汽车结构设计上的应用3.3 3.3 结构小型化结构小型化3.4 3.4 承载式车身在汽车上的应用承载式车身在汽车上的应用3.5 3.5 先进特种成形工艺的应用先进特种成形

42、工艺的应用汽车轻量化之第三章 汽车轻量化的主要途径第48页/共80页49-294 据统计，客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车质量的40%-60%。因此对车身的结构进行优化设计，实现轻量化的空间是比较大的。CAD/CAE/CAM一体化技术是典型的多媒体信息处理和多媒体软硬件集成环境，它使汽车设计与制造向着可控化可控化可控化可控化、信息化信息化信息化信息化、智智智智能化能化能化能化和标准化标准化标准化标准化的目标发展。第49页/共80页50-294名名称称构构成成CADCAD概念设计,造型设计,数据信息输入,车身及主要零件建模与仿真,快速成型,工程图样设计CAECAE有限元模型，振动与噪声

43、，静动载荷疲劳寿命，机构运动分析，结构迭代CAMCAM计算机自动编程，计算机辅助工艺设计，柔性制造系统，成本核算，刀具设计，成组技术，质量控制CAD/CAE/CAM一体化构成CAD/CAECAD/CAE技术简介技术简介第50页/共80页51-294CAD/CAE/CAMCAD/CAE/CAM一体化技术整车设计流程图构思CAS三维建模CAD结构设计CAD试制试验定型车身制造工艺设计CAPP模具设计CAD机械加工CAM装配、试验、整调生产铸件毛坯准备CAE优化设计工程数值分析仿真结构优化设计第51页/共80页52-294 在现代汽车工业中，CAD/CAE/CAM一体化技术起着重要的作用，涵盖了汽车

44、设计和制造的各个环节：汽车的设计检验；整车实体造型；车身的三维设计；汽车零部件的数控加工；整车的振动和疲劳分析；以计算机仿真技术代替实车测试和破坏性碰撞试验。该技术已成为汽车工业实现多品种、高质量、短周期、低该技术已成为汽车工业实现多品种、高质量、短周期、低该技术已成为汽车工业实现多品种、高质量、短周期、低该技术已成为汽车工业实现多品种、高质量、短周期、低成本的有力保证。因此在汽车轻量化设计中具有良好的应用前景。成本的有力保证。因此在汽车轻量化设计中具有良好的应用前景。成本的有力保证。因此在汽车轻量化设计中具有良好的应用前景。成本的有力保证。因此在汽车轻量化设计中具有良好的应用前景。第52页/

45、共80页53-294 车身是汽车的一个非常重要的组成部分，占汽车总体质量和造价的40%60%，其设计的好坏直接影响着汽车的使用性能。车身的主要作用在于保证驾驶员便于操纵以及为乘客或货物提供容纳空间。消除或减轻汽车行驶时汽车自身和外界给驾驶员、乘客和货物造成的影响，保证行车安全和减轻事故后果。车身组成：底板、顶盖、前，后围板、侧围、发动机罩、行李箱盖、前，后翼子板、挡泥板车身结构的分类及组成车身结构的分类及组成第53页/共80页54-294（即基于设计的轻量化技术基于设计的轻量化技术）（1）利用CAD技术，可以准确地实现车身实体结构设计和布局设计，对各构件的形状、配置、板材厚度的变化进行分析。（

46、2）对于采用轻质材料的零部件，可利用CAE技术作零件的布局干涉分析和运动干涉分析，使轻量化材料能满足车身设计的各项要求。利用有限元法和优化设计方法可对结构力学性能进行分析和优化设计。在车身结构优化设计中,通常采用的优化方法有：1.拓扑优化拓扑优化：多应用在结构的概念设计阶段。主要思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题。目前常用的连续体结构的拓扑优化方法有:变厚度法、变密度法及均匀化方法。2.形貌优化形貌优化：可以对加强筋的形式、走向和位置深度等参数进行优化3.形状和尺寸优化形状和尺寸优化：这种结构设计方法已用于汽车后轴差速器壳体、半轴等零件设计。这种基于生

47、物学增长规律的形状优化方法，可收到既减小零件质量，又避免局部应力高峰的效果。向承受高负荷的部位贮存材料，去除承受低负荷部位的材料，零件的形状将按照避免出现应力高峰并使应力分布均匀来设计车身结构优化及用材车身结构优化及用材第54页/共80页55-294确定设计几何模型生成有限元网格定义材料属性施加载荷、边界条件有限元分析完成设计定义拓扑优化设计空间修改几何模型定义拓扑优化约束目标函数拓扑优化计算定义拓扑优化设计空间YESNO有限元分析方式拓扑优化方式传统优化方法与拓扑优化方法流程比较传统优化方法与拓扑优化方法流程比较第55页/共80页56-294 （1 1）下例是基于下例是基于下例是基于下例是基

48、于OptiStructOptiStruct软件，针对某越野车后掀门原设计强度软件，针对某越野车后掀门原设计强度软件，针对某越野车后掀门原设计强度软件，针对某越野车后掀门原设计强度不足的问题，采用该软件进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高不足的问题，采用该软件进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高不足的问题，采用该软件进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高不足的问题，采用该软件进行形貌优化，在不增加重量的前提下，提高结构强度。结构强度。结构强度。结构强度。原结构有限元模型原设计应力云图原设计形变位移云图优化设计后的结构优化后的形变位移云图优化后的应力云图第56页/共80页57-294（2

49、 2 2 2）大众公司结合拓扑优化，形状优化和尺寸优化对发动机支架）大众公司结合拓扑优化，形状优化和尺寸优化对发动机支架）大众公司结合拓扑优化，形状优化和尺寸优化对发动机支架）大众公司结合拓扑优化，形状优化和尺寸优化对发动机支架,发动机发动机发动机发动机排排排排气歧管隔热板，水箱散热器支架等进行结构优化设计，成功实现了减重、气歧管隔热板，水箱散热器支架等进行结构优化设计，成功实现了减重、气歧管隔热板，水箱散热器支架等进行结构优化设计，成功实现了减重、气歧管隔热板，水箱散热器支架等进行结构优化设计，成功实现了减重、提高提高提高提高模态频率和增加了强度和刚度。模态频率和增加了强度和刚度。模态频率和

50、增加了强度和刚度。模态频率和增加了强度和刚度。发动机支架优化发动机支架优化发动机隔热板优化发动机隔热板优化优化前后模态频率变化优化前后模态频率变化第57页/共80页58-294水箱散热器支架优化前后应力分布及变形情况水箱散热器支架优化前后应力分布及变形情况优化前后性能比较优化前后性能比较第58页/共80页59-294(3)(3)(3)(3)基于基于基于基于HyperWorksHyperWorks软件对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优软件对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优软件对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优软件对卡车驾驶室后悬置支架进行分析和拓扑优化，优化，优化，优化，优化的约束是