木质复合材料车门防撞梁的制造与性能验证

2019年12月09日14:41 来源：汽车材料网

汽车材料的可持续发展　　

当前，减少汽车碳排放的要求促使汽车制造对新材料的需求更加迫切。木塑复合材料具有出色的机械性能、较低的材料密度以及较低的材料成本。木塑复合材料的适当使用与纤维增强复合材料和金属相比，更具竞争力。但是目前行业尚未形成完整有效的木材材料数据和碰撞性能数据。格拉茨技术大学（Graz University of Technology）和维也纳自然资源与生命科学大学（University of Natural Resources and Life Sciences Vienna）开展了WoodCar研究计划，旨在证明木质复合材料在静态和碰撞载荷条件下作为轻质材料的设计潜力。

　　目前，汽车制造业正在大力寻找新型轻质材料，越来越多的使用纤维增强复合材料，如玻璃纤维和碳纤维复合材料，也有少部分天然纤维复合材料。但是，由于这些材料的材料价格和生产成本的增加，限制了其批量化应用。而木材具有是具有优异机械性能的轻质材料（机械性能如图1），且应用成本较低，是汽车轻量化材料应用的一个新方向。

　　使用木材带来的减碳效应

　　政府间气候变化专门委员会（IPCC）在2018年发布了《全球升温1.5℃特别报告》。报告指出，要将全球变暖限制在1.5°C需要土地的“快速而深远的”转变。到2030年，全球人为造成的二氧化碳净排放量需要比2010年减少45%左右，在2050年左右达到“净零”。同时，该报告认为，植树造林和森林管理是缓解气候变化的关键战略，这些也是目前唯一可行的碳清除措施。

　　木材可以通过两种方式促进温室气体的减少和清除：一方面通过使用木制品的存储效应，另一方面通过“后碳”制品中化石材料的替代效应。在过去，木材被广泛用作机械、车辆和飞机行业的设计材料。上世纪30到50年代是木材应用技术高速发展的时期，人们对木材进行了深入的研究，并使用木材制造多类型产品。除了低密度木材（如轻木）、高耐久性木材（如柚木）以外，还有许多类型的木材是机械工程应用中的原料，如：云杉、白蜡木、桦木、杨木、山毛榉木、枫木和橡木等。

　　木质车门侧防撞梁的开发与性能验证

　　侧防撞梁安装在车门上，主要是在发生侧面碰撞时保护乘员安全。侧面碰撞梁将力分布到相邻的A和B柱上，从而减少侧面碰撞时的侵入。本研究以一辆重量为2000公斤的专为美国市场设计的中型SUV为对象，其侧防撞梁由超高强度钢（UHS）制成，矩形截面封闭式结构，单根重1.18 kg（不包括连接器）。以此为原型，开发了木质侧防撞梁。

　　选择了两种载荷工况来对木基侧撞梁进行基准测试：FMVSS 214s和US-NCAP试验。此外，研究团队还开发了一个侧防撞梁试验台，如图2。在该试验台中，侧面防撞梁的末端具有两个自由度，即轴向平移以及围绕垂直轴的旋转。分别通过铝蜂窝的轴向屈服行为和钢板的弯曲来约束，从而模拟安装后的边界条件。

　　在测试时，从主机厂现有车型中选取了家用车A和家用车B作为参考对比项，对比参数选择为：冲击器重量、弯曲板的厚度和蜂窝材料的能量吸收。按US-NCAP标准进行测试。

　　木质侧防撞梁由桦木贴面层、粘胶纤维层和蜂窝纸板组成的三明治结构，从而提供较高的初始刚度和弯曲刚度。试验时，在冲击器行程达到约50 mm时，蜂窝材料开始弯曲。弯曲的侧防撞梁逐渐转换为“拉索”，传递轴向载荷。木质防撞梁显示出较高的抗张强度，但脆性不佳，粘胶织物层需要防止因材料的脆性破坏导致整个梁的破裂。对木质侧防撞梁进行了准静态和动态测试，结果表明，木质防撞梁能够吸收与高强钢防撞梁（1845与1884 J）几乎相同的动能，如图3。同时创建了仿真模型，仿真结果与测试结果的力-位移曲线匹配度较高，具体如图4。

　　上述测试展示了木质防撞梁承受侧面碰撞载荷的情况，结果表明，开发的木质防撞梁可发生严重变形而不发生断裂，其碎片不会对乘员造成危险，从而获得了测试后期较高的拉伸强度。目前，下一步的研究工作将集中于提升初始刚度、降低生产成本和提高抗湿性方面。

　　全生命周期评价

　　在开发木质侧撞梁的同时，WoodCar项目也进行了生命周期评估（LCA）。考虑的主要影响因素是全球变暖潜能值（GWP）和累积能源需求（CED），使用SimaPro和ECOInvent两个数据库。在LCA中，假设车辆的重量为2000 kg，寿命为150,000 km，并使用内燃机。LCA将生产阶段、使用阶段和报废阶段之间分开，相关结果表明，GWP和CED的比例在使用阶段最高。因此，在汽车制造业中，“天然”材料在重量和生态方面都具有较大的潜在优势。

　　结论

　　综上，WoodCar通过木质侧防撞梁的开发和性能测试表明，木质复合材料在亨受静态和动态载荷时，具有与传统材料相当的吸能性，且质量更轻。同时，对木质部件的碰撞性能模拟精准度较高。木材作为设计材料可有助于实现节能减排的生态目标。此外，作为轻质设计材料，木材还可以通过调整成分和结构设计，在使用阶段进一步减少碳排放。

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