復合材料汽車零部件設計制造及應用

前言

　　新型復合材料代替金屬材料設計制造汽車零部件具有減輕質(zhì)量、節(jié)約能源、保護環(huán)境、降低成本和改善汽車性能等一系列優(yōu)點。另外，為了適應汽車工業(yè)朝著輕量化、高速化、節(jié)能化以及舒適、多功能、低成本、長壽命方向的發(fā)展需要，復合材料替代傳統(tǒng)金屬材料的趨勢更為突出。如何把復合材料應用到汽車工業(yè)中，一直是我們思考和關(guān)注的問題。歐洲、日本、美國等已投入大量人力、物力深入廣泛地開展新型復合材料技術(shù)在汽車工業(yè)中的應用研究，相繼開發(fā)出了多種類型的新型復合材料汽車零部件?！　∧壳埃嚨妮p量化可通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、革新工藝和更換新材料三個途徑來實現(xiàn)。其中，最行之有效的途徑是更換新材料。汽車新材料的發(fā)展主要是圍繞降低燃油消耗、凈化排放氣體、延長汽車壽命和提高汽車性能四個基本目標進行的。在眾多的新材料中，代表著結(jié)構(gòu)材料重要發(fā)展趨勢的聚合物基復合材料脫穎而出，它具有質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)設計可調(diào)整J陛好、比強度和比模量高、阻尼減振和降噪性好、抗疲勞l生及耐環(huán)境性能優(yōu)良等優(yōu)勢，其力學性能可以與金屬材料相媲美，工藝性又優(yōu)于金屬材料，這些優(yōu)點使其被廣泛應用于制造汽車車身、車門、發(fā)動機罩、保險杠、板彈簧和驅(qū)動軸等。采用復合材料代替金屬材料制造汽車零部件是汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢，具有明顯的經(jīng)濟效益和重要的社會意義?！　”緯鴧R集了近年來作者的科研成果，展示了復合材料汽車零部件當前的研究狀況、進展情況及未來發(fā)展的若干趨勢，論述了復合材料汽車發(fā)動機機體、復合材料汽車飛輪、復合材料汽車制動缸和復合材料汽車剎車片的設計、制造、性能測試及應用。本書采用了專題論述的形式，專業(yè)性較強，力求做到簡明扼要、深人淺出。本書可作為相關(guān)專業(yè)研究生的教材和本科生的參考書，也可供從事復合材料研究及汽車零部件設計、制造和應用的工程技術(shù)人員參考。　　在本書的撰寫過程中，林建龍教授和郭克友博士認真、細致地審閱了書稿，并提出了具體的修改意見；孟春玲教授、李雯、王輝、張揚、田正兵、鄭家杰、紀曉鋼和卜曉媛給予了大力協(xié)助，在此向他們深表感謝。此外，本書的研究工作獲得北京市市屬高等學校人才強教計劃拔尖創(chuàng)新人才項目的資助，在此也致以深切的謝意?！　∮捎趶秃喜牧掀嚵悴考O計制造應用涉及面廣且新，限于作者水平，書中難免有不當之處，懇請讀者不吝指正。

內(nèi)容概要

本書闡述了復合材料汽車零部件當前的研究狀況、進展情況及未來的發(fā)展趨勢。全書共5章，主要介紹復合材料汽車發(fā)動機機體、復合材料汽車飛輪、復合材料汽車制動缸和復合材料汽車剎車片的設計、制造、性能測試及應用。    本書匯集了近期作者的科研成果，專業(yè)性較強，采用了專題論述的形式，力求做到簡明扼要、深入淺出。    本書可作為汽車設計、制造及復合材料等相關(guān)專業(yè)研究生的教材或本科生的參考書，也可供從事復合材料研究及汽車零部件設計、制造和應用的工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

前言第1章  復合材料汽車零部件概論  1.1  引言  1.2  汽車工業(yè)發(fā)展狀況及其對復合材料的需求    1.2.1  國外汽車復合材料的應用歷史    1.2.2  我國汽車工業(yè)發(fā)展概況    1.2.3  金屬基復合材料在汽車上的應用    1.2.4  樹脂基復合材料在汽車上的應用    1.2.5  陶瓷基復合材料在汽車工業(yè)中的應用    1.2.6  其他復合材料在汽車工業(yè)中的應用  1.3  復合材料在各種車型中的應用現(xiàn)狀    1.3.1  復合材料整車身應用情況    1.3.2  復合材料在我國轎車中的應用情況    1.3.3  復合材料在我國客車中的應用情況    1.3.4  復合材料在我國卡車中的應用情況    1.3.5  復合材料在我國其他相關(guān)汽車工業(yè)領域中的應用情況    1.3.6  復合材料在汽車樣件制作和售后服務市場中的應用  1.4  復合材料在我國汽車工業(yè)中的應用前景與問題    1.4.1  復合材料在我國汽車工業(yè)中的應用前景和趨勢    1.4.2  復合材料在汽車工業(yè)中應用所面臨的問題  參考文獻第2章  復合材料汽車發(fā)動機機體  2.1  復合材料汽車發(fā)動機機體概論    2.1.1  復合材料發(fā)動機的發(fā)展概況    2.1.2  本章主要內(nèi)容  2.2  機體用短玻璃纖維增強酚醛復合材料的性能研究    2.2.1  玻璃纖維、酚醛基體的基本性質(zhì)    2.2.2  短玻璃纖維增強酚醛復合材料的動態(tài)黏彈性    2.2.3  纖維分布形態(tài)對復合材料性能的影響    2.2.4  機體用復合材料黏彈性本構(gòu)關(guān)系    2.2.5  復合材料熱、濕膨脹系數(shù)  2.3  復合材料發(fā)動機機體結(jié)構(gòu)設計和受力分析    2.3.1  復合材料發(fā)動機機體結(jié)構(gòu)設計    2.3.2  DA462Q汽油發(fā)動機簡介  2.4  復合材料發(fā)動機機體材料性能試驗    2.4.1  彎曲試驗    2.4.2  拉伸試驗    2.4.3  馬丁耐熱試驗    2.4.4  疲勞試驗    2.4.5  沖擊試驗    2.4.6  拉伸黏彈性后效應試驗    2.4.7  動態(tài)黏彈性試驗    2.4.8  成型工藝  2.5  復合材料發(fā)動機機體的有限元計算    2.5.1  線性有限元分析    2.5.2  溫度場和熱應力分析    2.5.3  黏彈性有限元分析    2.5.4  熱黏彈性有限元分析    2.5.5  模態(tài)分析  2.6  復合材料發(fā)動機機體的裝機試驗    2.6.1  機體運行動態(tài)性能試驗    2.6.2  噪聲試驗    2.6.3  模態(tài)試驗    2.6.4  功率試驗  參考文獻第3章  復合材料汽車飛輪  3.1  復合材料汽車飛輪概論    3.1.1  飛輪儲能的研究背景    3.1.2  飛輪儲能的研究概況    3.1.3  本章主要內(nèi)容  3.2  飛輪用聚合物基復合材料的性能研究和成型工藝    3.2.1  增強纖維    3.2.2  基體材料    3.2.3  成型工藝  3.3  復合材料汽車飛輪的解析研究    3.3.1  單層飛輪轉(zhuǎn)子的彈性應力分析    3.3.2  多層復合材料飛輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)  3.4  復合材料汽車飛輪轉(zhuǎn)子的有限元分析    3.4.1  單層復合材料飛輪轉(zhuǎn)子的有限元分析    3.4.2  多層復合材料飛輪轉(zhuǎn)子的有限元分析  3.5  復合材料汽車飛輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設計    3.5.1  單層復合材料飛輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設計    3.5.2  多層復合材料飛輪轉(zhuǎn)子的優(yōu)化設計    3.5.3  結(jié)論  3.6  復合材料汽車飛輪轉(zhuǎn)子的模態(tài)分析    3.6.1  模態(tài)計算理論基礎    3.6.2  模態(tài)分析  3.7  復合材料飛輪損傷與斷裂過程的聲發(fā)射特性    3.7.1  聲發(fā)射技術(shù)的概述    3.7.2  試驗方案    3.7.3  試驗材料及試樣的制備    3.7.4  相關(guān)參數(shù)的確定    3.7.5  試驗結(jié)果    3.7.6  結(jié)論  參考文獻第4章  復合材料汽車制動缸  4.1  復合材料汽車制動缸概論    4.1.1  國內(nèi)外復合材料制動缸研究概況    4.1.2  本章主要內(nèi)容  4.2  制動缸用聚合物基復合材料的材料設計    4.2.1  制動系統(tǒng)與制動缸    4.2.2  制動缸的有限元計算分析    4.2.3  復合材料的設計  4.3  復合材料汽車制動缸模壓成型工藝和模具設計    4.3.1  模壓成型技術(shù)    4.3.2  模壓成型工藝    4.3.3  模壓成型模具的設計    4.3.4  復合材料制動缸的制備  4.4  復合材料汽車制動缸的有限元分析    4.4.1  有限元計算分析的前處理    4.4.2  有限元計算分析結(jié)果    4.4.3  有限元計算分析的結(jié)論  4.5  復合材料汽車制動缸的模態(tài)試驗和模態(tài)分析    4.5.1  試驗方案與測試技術(shù)    4.5.2  試驗結(jié)果    4.5.3  ANSYS模態(tài)分析和LMS Test.Lab軟件簡介  參考文獻第5章  復合材料汽車剎車片  5.1  復合材料汽車剎車片概論    5.1.1  國內(nèi)外汽車制動摩擦材料的研究概況    5.1.2  國內(nèi)外汽車制動振動與噪聲的研究概況    5.1.3  本章主要內(nèi)容  5.2  剎車片用聚合物基摩擦材料及生產(chǎn)工藝研究    5.2.1  基體樹脂    5.2.2  增強體    5.2.3  填料    5.2.4  生產(chǎn)工藝    5.2.5  結(jié)論  5.3  復合材料汽車剎車片的研制    5.3.1  配方設計    5.3.2  工藝設計及主要生產(chǎn)設備    5.3.3  性能測試試驗    5.3.4  成本核算    5.3.5  結(jié)論  5.4  復合材料汽車盤式剎車片的模態(tài)分析與模態(tài)試驗    5.4.1  盤式制動器簡介    5.4.2  材料參數(shù)測定試驗    5.4.3  盤式剎車片固有頻率的理論分析    5.4.4  模態(tài)分析    5.4.5  模態(tài)試驗    5.4.6  結(jié)論  5.5  剎車片的振動與噪聲理論分析和試驗研究    5.5.1  材料黏彈性與振動和噪聲關(guān)系的理論分析    5.5.2  剎車片的振動與噪聲試驗研究  參考文獻

章節(jié)摘錄

　　2.2.3 纖維分布形態(tài)對復合材料性能的影響　　由于纖維長度和取向的不同及纖維末端處基體與纖維的相互作用，短纖維的增強機理與長纖維的增強機理大不相同。它的破壞形式、增強機理的分析遠比長纖維復雜得多。發(fā)動機機體用隨機分布的短纖維增強所得的復合材料是各向同性的，其樹脂含量為55％左右，纖維含量為45％左右。復合材料的性能主要由以下因素來確定：基體和纖維間的相對性能、在復合材料中纖維和基體的相對含量、單個纖維粒子形狀和長度、纖維在復合材料中的幾何排列?！　?.纖維體積分數(shù)和幾何形態(tài)　　纖維的體積分數(shù)（V1）取決于兩個主要因素，即纖維幾何形態(tài)與生產(chǎn)復合材料所用的工藝方法。纖維的幾何形態(tài)主要有單向、垂直雙向、隨機分布三種。用于機體上的復合材料的增強材料為任意方向隨機分布的短玻璃纖維，經(jīng)試驗研究，對模壓成型或傳遞模成型工藝，纖維體積分數(shù)一般為15％～459／6。這是因為，纖維體積分數(shù)太小起不了增強效果，纖維在基體應變稍大時就已大量斷裂，在基體中造成很多缺陷，反而使強度下降，是不可取的；纖維體積分數(shù)越高，復合材料的強度和剛度越高，但考慮到纖維含量過多時，由于物料體系的流動差，而使工藝上不易操作，纖維和基體間由于黏結(jié)性變差，缺陷增多，界面強度下降。另外，韌性基體在復合材料中的體積分數(shù)減少了，脆性纖維的體積分數(shù)增大了，使復合材料的韌性減小，抗沖擊和斷裂的性能下降，達不到良好的增強效果，也是不可取的，所以纖維含量不能過高。纖維的含量對聚合物基復合材料的動態(tài)黏彈性能也有影響，損耗正切是隨著纖維含量的增加而下降的。復合材料的疲勞壽命也受到纖維含量和幾何形態(tài)的影響，幾種不同玻璃纖維含量的聚合物基復合材料的SN曲線如圖2.4 所示。　　2.纖維的長徑比　　由微觀力學分析可知，纖維幾何形狀對短纖維復合材料的性能影響較為顯著，柱狀比橢球狀纖維的增強效果要好。長徑比對復合材料的拉伸模量E影響較大，而對剪切模量G影響較小。在同一長徑比下，圓柱狀纖維對E和G的增強效果略好于橢球狀纖維。為此選擇長度為10～15mm、直徑為25um左右的圓柱狀纖維，長徑比為400左右。理論上講，纖維長徑比越大，復合材料的強度越高。但在復合材料制備和成型過程中，越細長的纖維，生產(chǎn)越困難，而且會導致纖維均勻分散困難，流動性差，容易斷裂，易受到損傷。　　……

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