德国弗劳恩霍夫系统可靠性与结构耐久性研究所的研究人员针对中级车开发出一款轻量化横拉杆. 该构件采用碳纤维材料, 与钢质的同类构件相比重量降低了35%. 此外, 研究人员还计划在横拉杆中集成多种功能, 使之能实现更高的故障允许误差和使用舒适度. 为此研究人员在构件中采用了结构健康监控系统(SHM)和用于减少固体声传播的半主动系统.
对于设计人员来说,如何保证纤维复合结构的设计符合纤维特性并且确保构件在使用时安全可靠是一个巨大的挑战.
与金属相比, 纤维复合材料在载荷情况下的行为更复杂, 所以不能简单地用纤维复合结构替代金属结构. 考虑到加工工艺以及纤维复合材料各向异性的原因, 在设计时针对不同的材料需要采取不同的途径. 设计纤维复合材料时必须符合纤维的特性, 所以这些强化纤维必须在载荷方向排列整齐.
横拉杆在负载情况 '左转刹车' 时所受的张力
达姆斯达特的研究者们面对的一个挑战是如何使纤维复合材料构件的制造适合批量化生产. 研究结果表明, 采用热塑性材料矩阵的有机板坯特别适合大型与面型构件制造. 材料在模具中按照构件的形状注塑成型. 基于材料的热固性塑料矩阵体系, 可以考虑采用树脂传递模塑方法加工构件.
LBF的研究人员强调, 要设计出稳定可靠的汽车底盘零件, 需要考虑到所有与零件运行有关的影响因素. 构件的载荷设计以在一个行驶周期中测量轮获取的载荷集为基础. 这些数值组被换算成各个构件所受的外力. 临界驾驶行为由驾驶行为导出, 这些临界值则作为假设载荷. 按照研究人员的进一步解释, 不同的驾驶行为在载荷最高的区域引起了错综复杂的多轴向负荷状态, 考虑到行驶安全, 需要对这些状态进行评估.
优化的敷层结构
研究人员对所采用的材料进行了试验研究, 根据研究成果构建了材料模型基础, 并据此对寿命进行评估. 借助于数字仿真方法, 研究人员对各种载荷区域加以识别, 结构中的纤维增强材料需要根据载荷方向变化. 研究表明, 为了支持局域纤维增强, 编织层需要采用敷层结构. 为了使编织层最佳适应应力载荷, 对敷层构造根据局域纤维方向加以数字优化.
光线揭示损伤
高负载情形会使构件结构受损并缩短构件的寿命, 例如发生交通事故或者在路况很差的路面超载等. 借助于由纤维光学传感器和光电缆组成的结构健康监控系统, 研究人员可以在线监控这些受损区域. 当构件被监控区域产生了一条裂缝并且损伤加重时, 该区域的变形则加剧, 而纤维光学传感器会捕获这些变化. 在超出所设定的最低值时, 司机会得到相应的警报显示.
在纤维复合材料中的阻尼振动
承受动态载荷的轻量化结构易产生振动, 通常情况下会采用减振器之类的装置减少振动. 采用此种方法的缺点是需要额外的重量和空间. 为此, 弗劳恩霍夫LBF研究所的研究人员通过采用被动元件布线的压电转换器集成了减振器. 其原理是采用感应线路和转换器一起作为谐振线路, 从而取代了机械减振器. 为了实现高效, LBF研究者们在纤维复合材料构件的研发过程中采用了这个半主动系统, 这样就可以加工出同时具有重量低, 阻尼性能良好的构件.