由美国太平洋西北国家实验室领导的来自工业和学术界的专家团队, 为设计新型, 经济且轻量化的汽车复合材料而开发预测工程工具.
按照美国条例规定, 到2025年, 汽车的平均燃油经济标准必须达到每加仑54.5英里, 比目前每加仑35.5英里提高了近60%. 毫无疑问, 减重是汽车制造商们寻求提高汽车燃油效率的众多方法之一, 而碳纤维增强塑料是最有前景的轻量化材料之一.
虽然比钢更强, 更轻, 但碳纤维复合材料相对昂贵, 因而合理使用材料的要求更加迫切. 与金属相比, 碳纤维复合材料的建模更加复杂, 这是因为碳纤维复合材料的特性取决于制造过程中的纤维含量, 纤维长度分布以及纤维取向.
为加速开发新的经济的长碳纤维复合材料, 美国太平洋西北国家实验室领导专家小组一起, 开发一系列的工程工具. 这些小组成员包括: 汽车制造商丰田汽车公司, 一级零部件供应商麦格纳公司, 长碳纤维材料和技术的供应商PlastiComp公司, 领先的过程建模软件提供商Autodesk, 以及来自大学的研究合作伙伴——伊利诺伊大学, 普渡大学和弗吉尼亚理工大学.
该团队得到了美国能源部车辆技术轻质材料计划办公室的资助, 所开发的软件工具成功地预测了复杂碳纤维热塑性塑料部件中的纤维取向和长度分布.
复合材料部件的开发过程要求汽车制造商制造模具, 成型部件并进行测试. 这是一个漫长而艰苦的过程, 不利于新型, 更具成本效益的碳纤维复合材料在汽车行业的快速发展. 利用由太平洋西北国家实验室领导的团队验证的工程开发软件, 制造商们将能够在成型前 '看出' 所提议的碳纤维复合材料设计的结构特性会是什么样的. 这些工具将允许制造商和汽车部件的设计师们以更快的速度去试验和探索新的思想.
该团队采用Autodesk Moldflow软件, 基于最初由Charles Tucker教授与其同事一起开发的模型, 对成型部件中的纤维取向和纤维长度分布进行预测. 在丰田, PlastiComp和麦格纳的指导下, 他们采用PlastiComp的材料, 成型出长碳纤维的复合材料部件, 并提取纤维供普渡大学和弗吉尼亚理工大学进行测试.
然后, 太平洋西北国家实验室对仿真软件预测的性能与成型纤维的试验结果进行对比, 以验证软件和模型的准确性. 太平洋西北国家实验室发现, 该软件工具成功地预测了纤维长度分布(准确率100%)和纤维取向(准确率88%).
此外, 作为该项目的一部分, 太平洋西北国家实验室与麦格纳和丰田一起, 对照标准钢和玻璃纤维复合材料, 分析了长碳纤维部件的性能收益和成本. 太平洋西北国家实验室发现, 所研究的碳纤维增强聚合物复合材料技术能够将车身系统重量减轻20%. 但是, 碳纤维部件的生产成本可能比钢部件高10倍. 利用预测工具对工艺和结构进行优化, 能够显著降低生产成本, 为碳纤维在汽车行业的更广泛应用铺平道路.