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Int J Adv Manuf Technol (2010) 49:1037–1045
DOI 10.1007/s00170-009-2452-6
ORIGINAL ARTICLE
基于复合汽车车身的原型制造集成结构
M. Golzar amp; M. Poorzeinolabedin
收到：16月2009 /接受：16十一月2009 /发表于：2009十二月8
#施普林格出版社伦敦有限公司2009
摘要：本文介绍了集成制造和装配方法，用以取代钢盖在汽车
复合材料因为Samand Sarir复合材料可以表现出较高的机械性能，
即低强度、刚度和冲击吸收能量速度。以综合机构为基础设计
标准，钢盖要重新设计和制造复合材料。拉伸、弯曲、冲击
进行了测试，以确定织物的性能[ 90 / 0 ]和[ 45 ]纤维复合材
料层复合材料取向。所选择的复合材料层合板显示2.9倍冲击
阻力；其可取性因素得到改善刚度的1.8倍和3.35倍。使用有限元
法，对复合体的影响通过数值模拟对不同厚度是盖纤维取向。
有限元分析结果表明，最后复合材料层合[ 0 / 90°] 7可以提高crashworthi复合材料在钢制盖上的对比.玻璃机织物的综合三维预
制件是缝合状形状三维模型的车身盖和放置在模具原型制造。它
可以得出结论，真空袋包装的建议制造方法可适用于3000-5000年
生产—灰量。最终，所制造的复合体盖的重量为1.7kg，比钢轻42%
Kg车身盖。
M. golzar（*）：poorzeinolabedin M.
制造工程组，
Tarbiat Modares大学机械工程系，
贾拉尔·阿拉麦德，极纳斯尔，邮政信箱14115-143，德黑兰，伊朗
电子邮件：m.golzar@modares.ac.ir
关键词复：合汽车车身。集成结构。层压板设计。
三维执行。真空套袋过程。
1 简介
燃油效率和汽车排放法规是两大问题。今天的汽车已经减
少了63%铁和钢的重量 [1]。这会导致在重量和排放上的增加。
超过75%的燃油消耗量直接涉及汽车重量[2]，和20%重量减少
可能会产生12-14%的燃油经济性改进[3]。
众所周知，二氧化碳排放量是其中之一汽车排放的温室气体。
在自动—移动工业，以减少二氧化碳排放为目的，发现最有效的
方法用以提高燃料效率汽车。最有效的方法是减少重量，使用轻
量材料如汽车重量复合材料[4]。实现这些的最好方法是在不牺牲
安全目的的条件下使用聚合物汽车车身复合材料，因为高分子复
合材料具有较高的比强度、比刚度、比能量吸收比钢。
聚合物复合材料是汽车经过几十年的行业中的一个部分，与早
期的应用—在1953克尔维特阳离子[5]。随着在减少汽车的重量和
保护乘客的安全性这些方面兴趣的增加，许多研究已经完成这方面
的研究[6]。
在过去几年，为了吸收冲击能量，汽车项目的标准对组件有越
来越严格的要求。高crashworthi结构构件项目的概念性取决于碰撞
阻力概念的比较是有Kinder-vater 和 Georgi提出的 [ 7 ]。汽车车身
材料选择受不同的标准，如成本和重量。作为玻璃纤维增强塑料具
有的优点：制造方便、破碎稳定、高能量吸收性能，他们已被广泛
使用在汽车上。
织物增强复合材料具有较高的特异性，创建一个量身定制的机械
性能和可能性属性配置文件为应用程序提供了一个巨大的潜力高度
强调轻型结构[ 8 ]。纤维的使用使得在汽车行业的织物正在增加，因
为它提供的可能性可以实现复杂的形状。通过Boemand等人得努力，
复合材料在白车身密集的设计和优化，在满足刚度指标的前提下相对
于基线比钢车身60%，表现出更大的质量减少[ 9 ]。
1038
Body cover
30 cm
120 cm
Samand Sarir覆盖图。图1
在车身盖的设计和制造研究中， 平织玻璃纤维/环氧树
脂复合材料已研究提高特殊强度，刚度，能量吸收，部分积
分与节能。图1表示该盖。复合材料零件的新设计做为实现部
分集成和减少阶段装配。部分一体化设计包括几何误差和装
配设计。实验和计算是为确保更高的性能进行更换。实验进
行了拉伸，弯曲和夏比冲击试验。根据刚度标准不同厚度和
取向的复合体进行调查和设计。零件制造通过选择一个适当
的过程，使三维预制件和组件。
2 材料的选择
汽车车身选材的影响不同的标准，如成本，刚度，重量，
影响电阻等。考虑到平原编织玻璃织物复合材料已被公认为
更具竞争力，比单向复合材料的耐冲击性[ 10 ]，环氧树脂的
高性能强度，拉伸模量，断裂应变，和特定的能量吸收]与其
他树脂相比。这些材料可用于生产所以他们选择外部更换汽
车体。在这项工作中，环氧树脂20% ly564.1hy564固化剂（120
至180分钟，固化时间）和平原编织玻璃布克/平方米使用。
2.1 机械试验
复合材料层压板制造的行为力学试验。这些层压板制造使
用真空袋法与平纹玻璃布200克/平方米和45%个体积分数，从
而导致300times;300 mm2试验材料。
2.1.1
本试验根据ISO 527-4进行[ 11 ]。机织织物玻璃/环氧树脂
的拉伸试样尺寸250times;25times;3毫米切割板。这个采样结束标签
与玻璃/环氧编织plusmn;°[ 45 ]材料，尺寸为50times;25times;2.5 mm3，
样品的力学性能表1
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和tabends分别在10°锥形。样品进行了测试仪器5500r拉伸试
验机位移2毫米/分钟的速度为150毫米。他改变测量样品的长
度。拉伸试验结果将按以下顺序：终极应力和杨氏模量。这些
结果显示在表1。
根据结果，平均弹性模量和抗拉强度分别为8.8 GPa和87 MPa
[plusmn;45°]和15.8 GPa和200 MPa，[ 0 / 90°]。层压板失效的发生
在45度的磁带和[ 90 / 0 ]纤维取向在90个磁带。
2.1.2 弯曲试验
弯曲第三测试点弯曲试验根据ISO进行178 [ 12 ]。机织物玻
璃/环氧树脂样品从板制备尺寸80times;10times;4 mm3。测试的仪器进行
5500r通用试验机。该支护跨度为60毫米，和十字头运动的速度
为2毫米/分钟。测试也显示表1。
平均弯曲模量和弯曲强度[plusmn;°45 ]为分别为10.9 GPa和216.1
MPa和4.3 GPa351.3兆帕为0 / 90的模式在这个试验失败的样品分
层拉伸纤维断裂。
2.1.3 夏比冲击试验
本试验是测定冲击强度的方法在规定条件下的复合材料。夏比
冲击试验是根据ISO 179-1 [ 13 ]无缺口试样的玻璃/环氧编织带尺寸
80times;15times;4 mm3进行。测试样本，支持作为一个水平光束接近尾声，
被一个冲击单击，以线的影响中途之间的支持和弯曲在一个高，名
义上恒速。对埃弗里进行了测试，丹尼森试验机以5.2米/秒的速度影
响。这个试验样品表明，在这些方向的打击试验是平等的。
计算和结果的冲击的表达强度试件，ACU，计算和表达（每平
方米千焦），使用下面的公式：
在修正能量，焦耳，吸收打破试样试样的厚度，以毫米为单位
是测试样本的宽度，以毫米为单位。失败的模式是多剪[ 0 / 90 ]
层压板和张力为[ 45 ]层压板。这个的结果测试如表2所示。
2.2 可取因素
更换为复合材料而不是钢，为了履行其功能令人满意的因素，复
合材料需要有一定的可取性。设计材料是计算其强度的可取性是一
种新的结构效率的有效方法[ 14 ]。在车身覆盖，主要设计标准与刚度
相关，所以表面通常有足够的强度满足刚度和稳定性要求。因此，
选定的复合材料是一种要从刚度上替代钢。
基于满意度的因素sigma;1 / 2 /rho;，E1 / 3 /rho;比发现的强度和弯曲性能
好。这个sigma;1 / 2 /rho;，E1 / 3 /rho;，制约因素是基于强度刚度。复合材料
样品
拉伸性能
弯曲性能
剪切模量G12（GPA）
强度 sigma;u (MPa)
模量 E11 = E22 (GPa)
延伸率 %
强度 sigma;u (MPa)
模量(Gpa)
[0/90°]
[plusmn;45°]
200
87
15.8
8.8
2.1
7.6
351.3
216.1
10.9
4.3
2.8
–
fcos2f
4 4
Note: Values of E11, E22 are2 measured from tensile test. The Poissons ratio values are from literature, shear properties are calculated from
sin
; Ex frac14; EAElig;45 andPhi; frac14; 45
Equation: G12 frac14;
n21 n12
cos f
sin f
ExAgrave; E11 Agrave; E22 thorn;
E11 thorn;E22
sin2fcos2f
1
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Table 2 Impact properties of plain wave E-glass/epoxy
4.1 优化的组合体
厚度和织物的复合体定位模拟复合体的发现不同厚度和取向的
力一位移曲线绘制到总能量吸收。
4.1.1 厚度
身体的厚度在能源起着至关重要的作用一种材料的吸收。通过增
样品
[0/90°]
[plusmn;45°]
Steel DX54D
能量 Ec (J)耐冲击ACU（kJ／m）
11.5
13.4
–
287
335
100
2
加厚度的体结构能承受更大的载荷和更多的能量吸收。
然而，体积也增加，当有任何厚度增加，而这反过来，提
高质量身体结构。这是不可接受的领域耐撞性体重中起着非常
关键的作用提高汽车的燃油效率。能量吸收的计算方法是找出
区域受力–位移曲线。
0 / 90 ]的[糊和厚度变化层。表4显示了在不同的上篮和能量吸收
吸收厚度。1.6毫米的厚度比其他厚度表现出更好的能量吸收。因此
根据特定的抗弯刚度、抗弯刚度图2和表4中吸收能量，厚度1.6毫米
与钢性因素（dx54d）被总结在表3。很明显这sigma;1 / 2 /rho;，
E1 / 3 /rho;复合材料分别为钢的1.8和3倍。
3 设计特点
本文所考虑的设计策略是：权重节能、抗弯刚度，部分一体
化，从强度角度看的结构分析，最佳预制件的使用，采用经济
的制造系统，并简化车体盖总成。玻璃/环氧复合材料成本每公
斤明显高于钢材，成本在结构设计中必须考虑节约和制造方法，
以使其在经济上可行。下面描述的功能如下。
3.1 机身厚度设计
因为车身设计弯曲刚度是一个关键参数[ 15 ]，复合车身的设
计做到与之相对的目标，以减少质量，同时满足刚度目标。在
这节中，其他的设计参数被认为厚度优化。
用于测定复合体的厚度，钢体刚度作为基准。具体抗弯刚度
（牛顿计，每第四个功率公斤）和抗弯刚度（牛顿每米）从实
验数据中计算出的不同复合材料的厚度，并进行了比较钢的刚
度，直到钢的刚度满足刚度参数。因此，复合材料具有1.62毫米
厚度满足最小质量的刚度。这些结果总结在图2。
3.2 部分整合
车身盖的主要部件如图3所示。这三个钢件是点焊和安装的
车体。获得一片复合CAD数据重新设计了钢基线模型。重新设
计钢车身盖消除了焊接和所需的固定装置。解决了独立部件之
间的间隙，问题可以保留主要边界和形状。
但是，一个共同
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