基于方程式賽車的碳纖維力學(xué)性能分析

1、 基于方程式賽車的碳纖維力學(xué)性能分析 摘要：本項(xiàng)目基于fsae方程式大賽賽車性能提升的需求，以及國(guó)內(nèi)外已有的對(duì)碳纖維材料的力學(xué)性能的研究，采用力學(xué)和位移傳感器來測(cè)量碳纖維板的性能，通過對(duì)斷裂處的分析以及查找斷裂原因和機(jī)理來優(yōu)化材料的制造工藝以及性能。為賽車不同部位不同工況下的碳纖維材料的使用提供依據(jù)以及優(yōu)化方案。關(guān)鍵詞：方程式賽車、碳纖維材料、斷裂分析一國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢(shì)隨著航空航天飛行器各項(xiàng)性能的不斷提高,對(duì)結(jié)構(gòu)件用材料的性能要求也越來越高。今后日本先進(jìn)復(fù)合材料的發(fā)展方向是:在增強(qiáng)材料方面,進(jìn)一步提高碳纖維的強(qiáng)度和模量,降低成本;在樹脂基體方面,主要提高樹脂的沖擊后壓縮強(qiáng)度和耐濕

2、熱性;在復(fù)合材料成型技術(shù)方面,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)整體成型技術(shù)、固化監(jiān)控、自動(dòng)化技術(shù)及三維復(fù)合材料技術(shù),從而同時(shí)提高復(fù)合材料性能降低制造成本。美國(guó)是碳纖維生產(chǎn)大國(guó),更是消費(fèi)大國(guó),世界碳纖維40%以上的市場(chǎng)在美國(guó)。美國(guó)199 6年碳纖維生產(chǎn)能力約為4500t,其中卓爾泰克(zoltek)公司1997年在美國(guó)德克薩斯州的亞平倫城和匈亞利的布達(dá)佩斯附近建了5條碳纖維生產(chǎn)線,1997年的總生產(chǎn)能力達(dá)3000t左右,一躍成為世界上生產(chǎn)碳纖維的最大集團(tuán)之一。隨著碳纖維生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和生產(chǎn)成本的下降,在增強(qiáng)木材、機(jī)械和電器零部件、新型電極材料乃至日常生活用品中的應(yīng)用必將迅速擴(kuò)大。除日美之外,德國(guó)、英國(guó)和韓國(guó)也具有一定

3、碳纖維復(fù)合材料生產(chǎn)能力。據(jù)預(yù)測(cè),今后十年世界碳纖維及復(fù)合材料需求量將穩(wěn)定高速增長(zhǎng)。國(guó)外碳纖維及復(fù)合材料業(yè)已步入良性循環(huán),而我國(guó)目前尚不具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)能力。我國(guó)當(dāng)前及今后一個(gè)時(shí)期內(nèi)最大的市場(chǎng)在體育用品方面。我國(guó)碳纖維及其復(fù)合材料業(yè)存在的幾個(gè)問題為:原絲質(zhì)量差、生產(chǎn)規(guī)模小、質(zhì)量低、價(jià)格高、應(yīng)用基礎(chǔ)研究薄弱等。據(jù)悉,碳纖維是國(guó)際上20世紀(jì)70年代發(fā)展起來的高性能材料,具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕、抗蠕變、穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn),既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。鑒于此,碳纖維廣泛應(yīng)用于航空航天、現(xiàn)代國(guó)防、汽車制造、特種機(jī)械、新型建材、體育設(shè)施等領(lǐng)域,前景廣闊。目前,我國(guó)對(duì)碳纖維的研

4、究還停留在小試、中試階段。汽車由于目前碳纖維的價(jià)格偏高,只能說是未來潛在的大市場(chǎng)。日產(chǎn)汽車公司的“skylinegt-r”的外裝材料已使用cfrp;豐田汽車公司自1996年秋起已將cfrp用于“mark”等3種車的內(nèi)裝材料,這兩家公司都正與東麗共同開發(fā)cfrp制車體,應(yīng)用于卡車上。現(xiàn)最引人注目的是美國(guó)的壓縮天然氣(cng)壓力容器和消防車的氧氣壓力容器。今后隨著大絲束碳纖維價(jià)格的進(jìn)一步下降回收技術(shù)的確立,預(yù)期將應(yīng)用于汽車的許多部件和結(jié)構(gòu)材料。碳纖維及其復(fù)合材料是伴隨著軍工事業(yè)的發(fā)展而成長(zhǎng)起來的新型材料,屬于高新技術(shù)產(chǎn)品,具有高比強(qiáng)度,高比模量,耐高溫,耐腐蝕,耐疲勞,抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹

5、系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能,它既可作為結(jié)構(gòu)材料承載負(fù)荷,又可作為功能材料發(fā)揮作用。因此其近年來發(fā)展十分迅速,在航空、航天、汽車、環(huán)境工程、化工、能源、交通、建筑、電子、運(yùn)動(dòng)器材等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用,被譽(yù)為是21世紀(jì)的新材料。二項(xiàng)目研究方案通過控制變量法制作出不同型號(hào)（通過對(duì)環(huán)氧樹脂加入量和加入碳纖維布的不同量進(jìn)行區(qū)分）的碳纖維符合材料板材，將板材通過實(shí)驗(yàn)儀器測(cè)出強(qiáng)度、剛度等力學(xué)性能，對(duì)部分式樣進(jìn)行破壞性實(shí)驗(yàn)，通過儀器觀察斷口處情況，分析斷裂原因，從分析中得到碳纖維復(fù)合材料板的優(yōu)化方向以及優(yōu)化方法。在優(yōu)化分析之后，結(jié)合分析結(jié)論二次制造材料，進(jìn)行同樣的力學(xué)實(shí)驗(yàn)，與之前設(shè)計(jì)對(duì)比得出結(jié)論，驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)的

6、可靠性。按照復(fù)合材料彎由性能試驗(yàn)astmd7264標(biāo)準(zhǔn)，選定碳纖維復(fù)合材料層合板試件長(zhǎng)寬厚為80mm12mm2mm,鋪層角度為0，平紋編織，共8層，試件尺小如圖1所示。基體材料為酚醛環(huán)氧乙烯基樹脂，增強(qiáng)材料為3k碳纖維絲。按照復(fù)合材料抗拉特性試驗(yàn)astmd3039標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行0與+45層合板單軸拉伸試驗(yàn)，分別獲得了表征該材料拉伸和面內(nèi)剪切性能的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖2、3所示。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)裝置(jsm-5600)如圖1所示，由壓頭、試件和兩個(gè)支撐柱組成，兩支撐柱間的距離(跨距l(xiāng))為50mm,壓頭和支撐柱半徑為2mm。將試件對(duì)稱放置在兩個(gè)支撐柱上,在試件中部，壓頭以位移控制方式對(duì)層合板向下施加載荷，加載速

7、率為2mm/min。層合板試件在彎曲載荷作用下，連續(xù)加載至試件破壞，記錄載荷-位移(f-8)數(shù)據(jù)，取平均值得到如圖4所示的f-8曲線，其中8為壓頭加載點(diǎn)的位移，f為相應(yīng)位置的施加載荷。使用掃描電子顯微鏡記錄試件不同斷裂時(shí)刻的裂紋圖像，如圖4中p、q、r三個(gè)時(shí)刻試件的橫向裂紋以及圖5中試件的層內(nèi)(厚度方向)裂紋與層間(縱向)裂紋。試件彎曲過程中，從底層逐層斷裂破壞，同時(shí)發(fā)生明顯的分層損傷，直全試件完全脆性斷裂，斷裂位置均位于試件中部。三實(shí)際應(yīng)用價(jià)值分析碳纖維應(yīng)用于汽車后，給汽車制造帶來最明顯的好處就是汽車輕量化，最直接影響的就是節(jié)能、加速、制動(dòng)性能的提升。一般而言，車重減小10，油耗降低68，排

8、放降低56%, 0-100km/h加速性提升8-10%，制動(dòng)距離縮短27m。車身輕量化可以使整車的重心下移，提升了汽車操縱穩(wěn)定性，車輛的運(yùn)行將更加安全、穩(wěn)定。碳纖維復(fù)合材料具有極佳的能量吸收率，碰撞吸能能力是鋼的六到七倍、鋁的三到四倍，這進(jìn)一步保證了汽車的安全性。碳纖維復(fù)合材料具有更高的震動(dòng)阻尼，輕合金需要9秒才能停止震動(dòng)，碳纖維復(fù)合材料2秒就能停止，故碳纖維應(yīng)用在汽車上，對(duì)于整車nvh（噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度）的提升貢獻(xiàn)同樣很大，會(huì)大幅增強(qiáng)汽車行駛的舒適性。碳纖維復(fù)合材料具有更高的疲勞強(qiáng)度，鋼和鋁的疲勞強(qiáng)度是抗拉強(qiáng)度的30-50%，而碳纖維復(fù)合材料可達(dá)70-80%，因此汽車上應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料對(duì)于材料疲勞可靠性有較大提升。參考文獻(xiàn)：1. 敖文宏、劉西洋、武世杰、吳迪等.碳纖維復(fù)合材料層合板三點(diǎn)彎曲損傷仿真研究j.機(jī)械工程學(xué)報(bào)，1-6.2. 沈真.軌道交通復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)化之路-六論國(guó)產(chǎn)碳纖維