碳纤维汽车前地板DV测试对其变形影响研究

刘宾宾 王文印

摘  要：为了验证碳纤维汽车前地板DV测试对其变形是否有影响，文章以碳纤维预浸料（ACTECH1201/SYT45）为成型材料，以模压成型工艺为基础，选择外型相对复杂、尺寸相对较大的汽车车身前地板作为研究对象，实现一体模压成型前地板，对总成的前地板进行DV测试（耐热老化测试、耐高低温循环测试），在检具上对测试前、后的前地板总成进行全尺寸检测，得到：碳纤维前地板总成的全尺寸检测基本符合汽车车身的装车要求;耐热老化测试对前地板总成的面轮廓度基本无影响，可满足设计要求;耐高低温循环测试对前地板总成的面轮廓度有一定影响，但整体影响较小，可满足设计要求。

关键词：碳纤维;前地板;汽车车身;面轮廓度

中图分类号：TB332 文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2020）30-0057-03

Abstract： In order to verify whether the DV test of the carbon fiber automobile front floor has an impact on its deformation， in this paper， the carbon fiber rapid prepreg （ACTECH1201/SYT45） is used as the molding material. Based on the molding process， the front floor of automobile body with relatively complex appearance and large size is selected as the research object to realize the integrated molding front floor， DV test （heat-resistant aging test， and high and low temperature resistance cycle test） is carried out on the front floor of the assembly， and full-scale inspection is carried on the front floor assembly before and after the test on the inspection tool. The following results are obtained： The full-scale test of the carbon fiber front floor assembly basically meets the loading requirements of the automobile body; the heat-resistant aging test has no effect on the surface profile of the front floor assembly， which can meet the design requirements; the high and low temperature resistance cycle test has a certain impact on the surface profile of the front floor assembly， but the overall impact is small， so it can meet the design requirements.

Keywords： carbon fiber; front floor; automobile body; surface profile

1 概述

汽車轻量化作为有效的节能和环保措施，在未来成为汽车行业大力发展的趋势，其中碳纤维复合材料在轻量化上有极大的优势将作为节能和新能源汽车领域的重要发展方向[1]，碳纤维复合材料应用在汽车车身零部件中，减轻质量效果尤为明显，比钢铁材料轻50%，比铝材轻30%[2]，且有诸多特点：比强度、比模量高、抗疲劳性能好、破损安全性高、减震性好、各向异性、易于成型、耐腐蚀性好等[3]，由于其各向异性的力学特性，碳纤维复合材料的结构形式和铺层方式都会对其性能产生影响，合理的结构形式和铺层方式能够在减轻结构重量的情况下提高结构的力学性能[4]，同时可减少装配零件数量，使碳纤维零部件实现一体成型。

汽车车身零部件有很多个可使用碳纤维复合材料进行替代，如四门两盖、地板、顶棚、A柱、翼子板等[5]，其中地板作为外型相对复杂、尺寸相对较大的零部件，选用碳纤维复合材料成型，因外型复杂因素不易准确判断出其变形趋势，即使完成汽车整车装配，也要满足在不同环境（如高温、低温等）下运行，不发生严重变形问题。

因此，本文选择汽车车身零部件中的前地板做为研究对象，外轮廓尺寸约为1400*1500*200mm，选用碳纤维预浸料为成型材料、模压成型工艺方法，对成型装配后的前地板、进行DV测试（耐热老化测试、耐高低温循环测试）后的前地板分别进行尺寸检测，验证测试前、后的尺寸是否符合设计装配要求。

2 试验

2.1 原料与试剂

碳纤维环氧树脂体系预浸料：ACTECH1201/SYT45，纤维面密度150±5g/m2，树脂含量40±3%，中航航空高科技股份有限公司;脱模剂：ChemleaseMPP 2180，哈尔滨澳士德商贸有限公司;脱模布、有孔隔离膜、导气毡、真空袋等辅助材料：保定市瑞彼得复合材料销售有限公司;真空嘴：自制。

2.2 设备与仪器

碳纤维前地板模具：5120111-BN90-MJ，黄骅市泽方模具有限公司;U4.165F/K型真空泵：德国进口BECKER;8.0兆牛液压成型机：型号FDY-800，中国上海颐中橡胶机械有限公司;塞尺：0.05-1.00mm，W2869A;切边/打孔工装，总成粘接工装：沈阳兴兴动力设备开发有限公司;总成检具：5120000-BN90CP-JJ0701-WW，天津飞悦航空工业股份有限公司;环境箱：MENV082，上海天祥质量技术服务有限公司金桥分公司;色差仪：MELC014，上海天祥质量技术服务有限公司金桥分公司。

2.3 试验

碳纤维汽车前地板成型制造过程如下：

（1）使用脱模剂对碳纤维前地板模具的上、下模进行保养。

（2）在碳纤维前地板模具的下模上按照铺层设计角度逐层铺贴预浸料，环境温度要求18-27℃，湿度要求不高于80%，铺贴过程中间隔4-6层进行真空压实处理。

（3）使用压机将前地板模具的上、下模合到一起。

（4）设置压机压力，作用至产品上为1.0-2.0Mpa，模具升温125±5℃，保温20-30min。

（5）前地板模具降至60℃以下，将毛坯件进行脱模。

（6）在三轴机床上机加前地板毛坯件的4个定位孔。

（7）利用前地板定位孔将其固定在切边/打孔工装上，对毛坯件进行切边和打孔操作。

（8）利用前地板定位孔将其固定在总成粘接工装上，粘接金属件、标件等，总成件见图1。

（9）利用前地板定位孔将其固定在总成检具上，对前地板总成进行尺寸检测。

2.4 分析与测试

前地板总成面轮廓度检测：前地板总成置于检具上，按图2所示检测位置，使用通止规检测面轮廓度，公差±0.7mm，通止规检测合格即为“Y”，不合格的使用塞尺测量超差数据。

前地板总成耐热老化测试：高温80±2℃放置168h，试验后将零件在室温下放置1-2h，然后对零件外观、尺寸等进行评价。要求：色差≤3级，不得出现催化、裂纹、表面收缩、翘曲变形及其他影响使用功能的缺陷，试验后零件尺寸应满足设计要求。

前地板总成耐高低温循环测试：高温80±2℃，低温-40±2℃。高温5h+室温0.5h+低温5h+室温0.5h为一个循环周期，持续进行两个周期。要求：试验后不得出现翘曲变形、裂纹、分层及其他影响使用功能的缺陷，色差≤3级，灰度等级≥4级，试验后零件尺寸应满足设计要求。

3 结果与讨论

碳纤维前地板总成的全尺寸检测包括产品厚度、开孔孔径、孔位置度、面轮廓度、线轮廓度，据统计，尺寸检测合格率高达95%以上（检测点约150个），基本符合汽车车身的装车要求。但是，为了保障汽车车身可满足不同环境下的正常运行，通过实验室模拟对前地板总成分别做了耐热老化测试和耐高低温循环测试，并对前地板总成测试前、后的相关尺寸进行了检测，验证前地板总成是否会出现严重变形问题。若前地板出现变形问题，对其产品厚度、开孔孔径、孔位置度无明显影响，对面轮廓度影响较大，进而引发相应位置的线轮廓度超差，故仅对耐热老化测试和耐高低温循环测试前、后前地板总成的面轮廓度进行对比，选取了关重点区域作为检测位置（如图2所示），检测尺寸数据见表1。

表1 耐热老化和耐高低温循环测试前、后前地板总成的面轮廓度检测记录表

3.1 前地板总成耐热老化测试前、后面轮廓度检测分析

由上海天祥质量技术服务有限公司对前地板总成（编号001）进行了耐热老化测试，测试结果：无催化、裂纹、表面收缩、翘曲变形及其他影响使用功能的缺陷，色差≤3，评判为合格。

关于前地板总成的面轮廓度，从表1中的数据可知，检测点共计35个，耐热老化测试前、后的不合格检测点由3个增加为4个，不合格检测点主要出现在前地板总成的四个拐角区域，表明前地板本体存在一定变形，但热老化测试前后的面轮廓度超差相差不大，可见，耐热老化测试对前地板总成的面轮廓度基本无影响，可满足设计要求。

3.2 前地板总成耐高低温循环测试前、后面轮廓度检测分析

由上海天祥质量技术服务有限公司对前地板总成（编号002）进行了耐高低温循环测试，测试结果：无翘曲变形、裂纹、分层及其他影响使用功能的缺陷，色差≤3级，灰度等级4/5，评判为合格。

从表1中的数据可知，检测点共计35个，耐高低温循环测试前、后的不合格检测点由4个增加为5个，不合格检测点主要出现在前地板总成的四个拐角区域和左右两侧（与侧围安装区），表明前地板本体存在一定变形，除了前地板总成左下拐角区（检测点27、28）变形较大，其它检测点面轮廓度超差相差不大，可见，耐高低温循环测试对前地板总成的面轮廓度有一定影响，但整体影响较小，可满足设计要求。

4 结论

本文以碳纤维环氧树脂体系预浸料（ACTECH1201/SYT45）为成型材料，以模压成型工艺为基础，选择外型相对复杂、尺寸相对较大的汽车车身前地板作为研究对象，实现一体模压成型前地板，对总成的前地板进行DV测试（耐热老化测试、耐高低溫循环测试），在检具上对测试前、后的前地板总成进行全尺寸检测，得到如下结论：

（1）碳纤维前地板总成的全尺寸检测基本符合汽车车身的装车要求。

（2）耐热老化测试对前地板总成的面轮廓度基本无影响，可满足设计要求。

（3）耐高低温循环测试对前地板总成的面轮廓度有一定影响，但整体影响较小，可满足设计要求。

参考文献：

[1]徐作文，陈伟，赵春.碳纤维复合材料汽车前车门轻量化设计与分析[J].科技创新与应用，2018（36）：79.

[2]丁小马.碳纤维复合材料汽车前地板成型工艺及性能研究[D].上海：东华大学，2015：8.

[3]张王根.碳纤维复合材料汽车零部件开发与前景探讨[J].玻璃钢，2015（2）：14-15.

[4]程章，朱平，冯奇，等.碳纤维复合材料汽车翼子板优化设计研究[J].汽车工程学报，2015，5（5）：367-368.

[5]彭孟娜，马建伟.碳纤维及其在汽车轻量化中的应用[J].合成纤维工业，2018，41（1）：55.