Прочность на растяжение волоконно-укрепленных пластмасс в компонентах автомобильных аварий

Матричная связь влияния и интерфейса

Полимерная матрица, как правило, эпоксидная, полиуретановая или термопластичная, не вносит значительного вклада в прочность на растяжение в направлении волокна, но играет решающую роль в передаче напряжения, распределении нагрузки и защите волокон от деградации окружающей среды. Сильный интерфейс волоконно-матричного профиля имеет решающее значение для достижения полного потенциала растяжения волокон. Плохое межфазное связывание может привести к преждевременному вытягиванию волокна и снижению прочности композита, в то время как оптимальная связь гарантирует, что растягивающие нагрузки эффективно переносятся из областей мягкой матрицы в высокопрочные волокна. Циклическая нагрузка во время события аварии может вызвать прогрессирующее повреждение на интерфейсе, влияя на способность компонента поглощать энергию в многоступенчатом воздействии. Для повышения прочности связи используются расширенные процедуры калибровки и межфазные инженерные методы, не создавая слишком жесткого интерфейса, что может способствовать хрупкому разрыву. Реакция на растяжение композита является синергетическим продуктом прочности волокна, фракции объема волокна (обычно 50-60% для высокопроизводительных

Волоконная ориентация и архитектура

В реальном мире аварийный компонент, растягивающие нагрузки редко идеально выравнивается с одним направлением волокна. Инженеры используют многоосевые ламинаты, плетеные ткани и некондиционные ткани для создания псевдо-изотропного растягивающего ответа. Архитектура армирования - будь то однонаправленный (UD), 0/90° поперечного, ±45° смещения или триаксиальный - определяет, как растягивающая прочность распределена по различным углам нагрузки. Например, ±45° плильная ориентация значительно повышает жесткость сдвига и растягивающая прочность вне оси, что полезно для компонентов сдвига, которые испытывают комбинированную нагрузку. Последовательность укладки пли также влияет на прогрессирование отказа; хорошо спроектированный ламинат может использовать высокопрочные UD-слои в первичном пути нагрузки и более жесткие слои ткани на поверхности, чтобы предотвратить раннее расслоение. Моделирование конечных элементов этих архитектур позволяет инженерам прогнозировать разрывные оболочки и оптимизировать прокладки для конкретных профилей импульсов падения. Исследования, опубликованные в Композитной части B: Инженерия про

Стандартизированные методики испытаний на прочность на растяжение

Для обеспечения надежных и воспроизводимых данных для проектирования измеряется прочность на растяжение FRPs, применяемых в автокомпонентах аварий, с использованием установленных стандартов. Наиболее распространенным испытанием является ASTM D3039 (или ISO 527-4), в котором определяется определение свойств на растяжение полимерных матричных композиционных материалов. В этом испытании прямоугольный образец подвергается монотонному увеличению растягивающей нагрузки при постоянной скорости перебора до отказа. В испытании регистрируется максимальная нагрузка и соответствующий штамм, из которого вычисляется конечная прочность на растяжение (UTS), модуль на растяжение и штамм на разрыв. Ключевые параметры, влияющие на результаты, включают геометрию образца (обычно 250 мм в длину, 25 мм в ширину для выровненных волоконных композитов), закладку материалов для предотвращения сцепления-индуцированных отказов и скорость натяжения, которая должна соответствовать динамическим условиям аварии. Для высокоскоростного анализа на разрыв иногда применяются динамические испытания на растяжение с использованием сервогидравлических или дроп-весных систем при скоростях деформации до 100 с-1

Данные этих тестов используются не только для квалификации материала, но и служат входами для вычислительных моделей сжатия. Кривая напряжения-деформации, полученная из стандартного испытания на растяжение, обеспечивает упругий модуль, линейный предел упругости и напряжение отказа. Для моделирования сбоя с использованием таких инструментов, как LS-DYNA или ABAQUS, эти кривые часто идеализируются в билинейные или многолинейные модели материала (например, MAT 54 или MAT 58 в LS-DYNA), которые захватывают поведение растяжения до отказа. Крайне важно тестировать образцы, которые представляют фактический производственный процесс, включая цикл отверждения, ориентацию волокна и толщину, поскольку переменные обработки могут вводить изменения прочности на растяжение до 10-15%. Статистический анализ с использованием распределения Weibull обычно применяется для учета присущего рассеяния в композитных прочностях на растяжение, особенно для хрупких волоконных систем. Стандарт ASTM D3039 обеспечивает строгую основу для этой характеристики, гарантируя, что конструктивные значения для компонентов аварии являются консервативными и

Проектирование компонентов аварий для оптимальной производительности на растяжение

Режимы поглощения и отказа энергии

В случае аварии энергия, поглощаемая композитным компонентом, напрямую связана с его прочностью на растяжение и способом, которым он выходит из строя. В отличие от металлов, которые поглощают энергию посредством пластической деформации, композиты полагаются на прогрессивные механизмы дробления или разрушения. В компоненте с изгибом, таком как бамперный луч, растягивающие напряжения развиваются на выпуклой стороне, в то время как растягивающие напряжения возникают на вогнутой стороне. Высокая прочность на растяжение на натяжной стороне предотвращает ранний разрыв, позволяя компоненту продолжать дробление и поглощать энергию. Режим отказа может быть либо хрупким (катастрофическое разрушение волокна) или пластичным (прогрессивное расслоение, расщепление и вытягивание волокна). Последний обычно предпочтителен для аварийных применений, поскольку он происходит на более длинной длине хода и поглощает больше энергии. Стратегии проектирования, такие как введение триггерных точек (например, сужений или чамферов), могут инициировать контролируемое дроб

Оптимизация прочности на растяжение для аварийных компонентов часто предполагает компромисс между пиковой нагрузкой и поглощением энергии. Очень высокая прочность на растяжение может привести к слишком жесткому компоненту, передающему пассажиру высокие силы замедления. И наоборот, слишком низкая прочность на растяжение может вызвать ранний структурный коллапс. Инженеры уравновешивают эти результаты, выбирая подходящие типы волокон, ориентации и геометрии. Гибридные композиты, где высокопрочные углеродные волокна сочетаются с более жесткими стеклами или арамидными волокнами, предлагают компромисс: углерод обеспечивает высокую жесткость и растягивающую способность, в то время как стекло или арамид увеличивает напряжение отказа и усиливает поглощение энергии. Этот гибридный подход все чаще встречается в современных коробках аварий и передних рельсах аварий.

Снижение веса против структурной целостности

Основной мотивацией для использования FRPs в компонентах аварий является снижение веса. Стальные компоненты в передней структуре транспортного средства могут весить 30–50 кг, тогда как эквивалентная композитная структура может быть на 40–60% легче. Однако для достижения той же производительности при столкновении с более легкой структурой требуется, чтобы прочность на разрыв на единицу веса (специфическая прочность на растяжение) композита превышала сталь. Например, высокопрочный углеродный / эпоксидный композит может иметь удельную прочность на растяжение более 2000 кН·м / кг по сравнению с примерно 250 кН·м / кг для продвинутой высокопрочной стали. Это позволяет дизайнерам уменьшать толщину стенки при сохранении или даже увеличении грузоподъемности на растяжение. Однако уменьшение толщины может привести к снижению жесткости на изгиб, которая регулируется модулем растяжения и геометрией сечения. Поэтому оптимизация формы (например, использование сэндвич-панелей, ребер или ядер сотовой связи) часто необходима для компенсации уменьшенного момента инерции.

Еще одним соображением является путь аварийной нагрузки. В цельном транспортном средстве передние рельсы имеют решающее значение для распределения ударных нагрузок. Если эти рельсы изготовлены из FRP, прочность на растяжение должна быть достаточной для переноса силы без разрыва до передачи нагрузки другим конструктивным элементам. Конструкторы часто используют металлокомпозитный гибридный подход, где композитная коробка для аварий прикреплена к стальной подструктуре. Клей или механический сустав между этими материалами должны быть спроектированы для переноса растягивающих нагрузок, и отказ обычно происходит в композите вблизи линии связи. Достижения в технологии клеевого склеивания улучшили растягивающие характеристики таких соединений, что позволяет снизить вес до 50% в некоторых фронтальных модулях. Всесторонний обзор этих принципов проектирования доступен из серии технической бумаги SAE .

Современные приложения в компонентах автомобильных аварий

Производственные автомобили все чаще включают FRP в критических местах аварии. Например, BMW i3 и i8 оснащены углеродно-волоконными пластиковыми (CFRP) пассажирскими ячейками, где прочность на растяжение материала гарантировала, что пространство для выживания оставалось неповрежденным во время боковых и фронтальных ударов. Чаще всего стекловолоконно-укрепленные пластмассы (GFRP) используются в бамперных балках, скобках защиты пешеходов и щитах под днищем. Эти компоненты полагаются на прочность на растяжение стеклянных волокон, чтобы выдерживать изгиб и растягивающие напряжения, вызванные низкоскоростными ударами. При столкновениях на средней скорости (например, 40-80 км / ч) прочность на растяжение FRP должна быть достаточно высокой, чтобы предотвратить проникновение краш-барьера в кабину. В автоспорте, где весовые цели являются экстремальными, коробки для аварий с углеродным волокном предназначены для постепенного деления, поглощения энергии через комбинацию разрыва растяжимого волокна и расщепления матрицы.

Коммерческие транспортные средства также получают выгоду от компонентов FRP, оптимизированных для растяжения. Передние конструкции грузовика, например, используют гибридные композиты с арамидными волокнами для сопротивления растягивающим напряжениям от смещения ударов. Способность настраивать прочность на растяжение через волокнистую архитектуру позволяет одной и той же производственной линии создавать компоненты для различных уровней тяжести аварии. Для электромобилей тяжелый аккумуляторный блок требует надежных передних и задних аварийных структур для управления высокими инерционными силами; Растягивающие усилители FRP используются в поперечных элементах на полу и дробильных рельсах для удовлетворения этих требований без добавления значительного веса. Использование термопластичных матриц (например, полиамид или полипропилен) с измельченными волокнами предлагает более технологичное решение для неструктурных, но критически важных деталей, где прочность на растяжение умеренная, но достаточная для применения.

Будущие тенденции и инновации

Стремление к более высокой прочности на растяжение и улучшенному поглощению энергии продолжает стимулировать инновации. Нано-усиления , такие как углеродные нанотрубки (CNT) и графен, интегрируются в матрицу или применяются в качестве поверхностных покрытий на волокнах для увеличения межфазной прочности и переноса растягивающей нагрузки. Было показано, что даже небольшие количества (0,5-2% по весу) CNT увеличивают прочность на растяжение эпоксидных композитов на 5-15%, а также улучшают прочность на разрыв. Гибридные волоконные системы становятся более сложными, сочетая три или более типа волокон для создания градуированного ответа на растяжение: более жесткие волокна на внешней поверхности для первоначального пикового сопротивления нагрузки и более жесткие волокна в ядре для устойчивого поглощения энергии. Прогресс в производстве , такие как автоматическое размещение волокон (AFP) и 3D-печать непрерывн