ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ПРИМЕНЯЕМОСТИ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ В АВТОМОБИЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ 7
1.1. Общие положения 7
1.2. Композиционные материалы в автомобилестроении 11
ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ ИЗДЕЛИИ ИЗ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ, И СПЕЦИФИКИ ПЕРЕРАБОТКИ КОМПОЗИТОВ ... 16
2.1. Волокнистые композиционные материалы 16
2.2. Смолы, применяемые в композиционных изделиях 18
2.3. Возможность вторичной переработки композитов 18
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА КОМПОЗИТНЫХ АНАЛОГОВ ИССЛЕДУЕМОГО ИЗДЕЛИЯ И ПРОВЕДЕНИЕ ИХ ПРОЧНОСТНЫХ РАСЧЕТОВ 21
3.1. Постановка задач 21
3.2. Предлагаемые исследования 24
3.3. Разработка композитной модели 34
ГЛАВА 4 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ 39
4.1. Первая композитная модель 39
4.2. Вторая композитная модель 41
4.3. Т ретья композитная модель 42
4.4. Жесткость на кручение 55
4.5. Краткое изложение результатов 63
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 69
Список литературы 75
Актуальность темы: в последние годы рост цен на нефть и растущее осознание вклада человека в загрязнение окружающей среды и глобальное потепление приводят к повышению интереса к топливосберегающим решениям для наземного транспорта. Результатом этого нового подхода стал тщательный поиск вариантов уменьшения веса автомобилей, которые включают в себя переход к альтернативным и более экономичным трансмиссиям и иным агрегатам, направленных на снижение веса транспортного средства.
В этом контексте применение полимерных композитов представляет собой эффективное решение для снижения веса транспортных средств. Большинство пользователей транспортных средств, такие как водители грузовых автомобилей с прицепом, уже опробовали преимущества применения такой технологии для уменьшения веса их транспортного средства, что прогнозирует увеличение композитов на рынке автомобильной промышленности.
По этой причине в последние годы автомобильные конструкции автопроизводителей начали включать композитные изделия в автомобили средней ценовой категории, где ранее применение композитных материалов было оправдано только в автомобилях очень высокого класса, так как безопасность водителя и пассажиров преобладало над снижением веса.
С помощью моделирования транспортных средств, и определенных расчетов совместно с пробегами было доказано, что расход топлива уменьшается на 0,4 л / 100 км для легковых автомобилей и на 0,5 л / 100 км для легких грузовиков на каждые 100 кг снижения веса. Другими словами, на каждые 10% снижения веса экономия топлива увеличивается на 6% для легковых автомобилей и на 8% для легких грузовиков
Цель работы: исследование возможности применения композиционных материалов при изготовлении корпусных изделии в автомобиле для повышения качества, надежности и уменьшения веса транспортного средства.
Целью данной исследовательской работы является разработка конструкции заднего подрамника, выполненной из композитного материала, с обращением особого внимания к таким аспектам, как перерабатываемость, снижение веса, сохранение прочностных характеристик и производство компонентов в больших объемах.
Начиная с производственной детали, установленной на автомобиле Dodge Dart, будет разработана новая модель для изучения возможности преобразования компонента из алюминия в композитный материал с получением таких же или более высоких механических характеристик существующей детали, но с уменьшенным весом.
Первым этапом этой работы будет выбор материала и процесса, более подходящих для получения компонента, пригодного для переработки, для производства в больших объемах.
Затем, в зависимости от предыдущего выбора, будет проведен этап проектирования: создание 3D модели оригинальной детали, разработка упрощенной формы, повторяющей формы оригинального изделия, и будет проведено конечно-элементное моделирование с использованием программных обеспечении Siemens NX и ABAQUS, с применением тех же условий нагрузки, накладываемых на оригинальное изделие. Будет проведено сравнение результата расчетов нагрузок алюминиевого и композитного изделия.
Как объяснялось ранее, целью работы будет разработка композитного изделия, который имеет сопоставимые механические характеристики с алюминиевым изделием, но с уменьшением веса.
Как только будет выбрано лучшее решение с точки зрения конструкции и материала, будет выбран подходящий производственный процесс для
компонента, не учитывая конкретную информацию о времени и стоимости, необходимых для производства.
Способ переработки компонента будет предложен в соответствии с доступной информацией об утилизации и наиболее распространенных методах, используемых в настоящее время.
Задачи работы:
• Рассмотреть возможность изготовления композитного изделия без ограничений сложной геометрии, которая присутствует в оригинальном алюминиевом компоненте;
• Проанализировать метод преобразования структурного компонента из металла в композит;
• Обеспечить сохранение габаритных размеров исходного компонента;
• Выдержать оригинальные точки крепления подрамника к рычагам подвески и к кузову транспортного средства;
• Уменьшить вес исследуемого компонента;
Методы исследования: теоретическое исследование реализовано на основе ранних исследованиях поведения композиционных материалов при применении в качестве корпусных изделии, и дальнейших анализах прочности разработанных моделей с применением инструментов синхронного моделирования для быстрого изменения геометрии, с построением и сопряжением 1D, 2D и 3D конечно-элементных (КЭ) сеток в программной среде Siemens NX Advanced Simulation и Abaqus FEA.
Публикации: По теме диссертации опубликовано 2 статьи.
Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырёх глав, содержащих теоретический и практический материал, выводами и рекомендациями по работе, списка литератур. Работа изложена 131 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков, 27 таблиц, список литературы из 25 наименования.
На этапе проектирования были приняты во внимание производственные процессы, подходящие для производства в больших объемах: в частности, для производства композитной модели «В» с обычным углеродным волокном необходимы два процесса. Они были определены как компрессионное литье рамы с ее геометрией, а затем литье под давлением ребер, присутствующих на верхней поверхности.
Возвращаясь к модели компонента, показанной на рисунке 57, добавление ребер жесткости на верхней поверхности посредством литья под давлением не позволяет использовать те же стандартные ткани из углеродного волокна (таблица 4), которые используются для основной части подрамника, что в данном случае, предполагает использование рубленых углеродных волокон с пониженными механическими свойствами. Этот аспект был принят во внимание при определении другого сечения ребер, как объяснялось в предыдущих главах.
Стоимость и сроки изготовления компонента не были исследованы, но на современном уровне техники прессование в форму и литье прессованием являются наиболее подходящими для производства в больших объемах.
Что касается возможности переработки компонента. Поскольку была выбрана эпоксидная смола, армированная углеродным волокном, пиролиз представляет собой наиболее эффективное решение переработки для этого типа компонентов.
Могут быть использованы другие процессы, особенно химическое восстановление волокон, но они применяются на опытных или лабораторных установках, поэтому они не пригодны для больших объемов переработки материалов.
Дальнейшие разработки и исследования могут проводиться как при проектном анализе компонента, так и при описании наиболее подходящего производственного процесса, в частности, для улучшения существующей модели можно выполнить следующие шаги:
• Зная условия нагрузки, применяемые для оригинальной модели компонента, можно воспроизвести те же условия на композитной модели и улучшить конструкцию с применением других элементов жесткости (применением ребер с различным расположением) для получения сопоставимых характеристик.
• Как только станут известны требования к изделию, можно провести анализ напряжении на изделии и проверить, может ли модель работать без отслоения. Этот вид анализа не проводился, так как нагрузки были применены для расчета жесткости компонента, и они не отражают фактический профиль нагрузки в рабочем состоянии базовой станции.
• Имея доступ к подробной информации о стоимости материалов и оборудования, можно провести анализ затрат на процессы производства, упомянутые ранее, и сравнить их со стоимостью производства текущего компонента.
• Знание конкретных данных о процессах переработки дает оценку затрат на переработку компонента с использованием процесса пиролиза и проверку его пригодности для производства в больших объемах.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
