01-碳纤维复合材料(CFRP)车体的连接技术-简化版

碳纤维复合材料（CFRP）车体的连接技术众泰汽车工程研究院张然然博士01CFRP车体连接应用背景02CFRP车体连接技术03众泰CFRP车体连接技术的应用与挑战04总结与展望目录CFRP车体连接应用背景Part011.1CFRP在车体中的应用趋势《节能与新能源汽车技术路线图》--轻量化技术发展路线图2016-2020年2021-2025年2026-2030年车辆整备质量较2015年减重10%较2015年减重20%较2015年减重35%高强度钢强度600MPa以上的AHSS钢应用达到50%第三代汽车钢应用比例达到白车身重量的30%2000MPa级以上钢材有一定比例的应用铝合金单车用铝量达到190kg单车用铝量超过250kg单车用铝量超过350kg镁合金单车用镁量达到15kg单车使用镁合金25kg单车使用镁合金45kg碳纤维增强复合材料碳纤维有一定使用量，成本比2015年降低50%碳纤维使用量占车重2%，成本比上阶段降低50%碳纤维使用量占车重5%，成本比上阶段降低50%1.2车体连接技术发展趋势1.3CFRP车体连接技术的特点连接强度热膨胀系数CFRP（2*10-6K-1），钣金（12*10-6K-1），铝合金（23*10-6K-1)电化学腐蚀材料铝合金合金钢不锈钢钛合金CFRP电位（mV）-780-730+35+190+300CFRP车体连接技术Part022.1CFRP车体常用连接技术连接技术胶接使用结构胶将零件连接成不可拆卸的整体机械连接将被连接件局部开孔，然后用铆钉、螺栓等将其紧固连接成整体胶/机械连接胶接+铆接胶接+螺接单一连接混合连接2.1CFRP车体常用连接技术连接方式优点缺点应用范围胶接1.无钻孔引起的应力集中2.结构轻，连接效率高3.抗疲劳，密封、减震性绝缘性能好4.不同材料连接无电偶腐蚀、无磨蚀1.缺少可靠地无损检测方法，胶接质量控制较困难2.剥离强度低，较难传递大载荷3.受湿、热、腐蚀介质等环境影响，存在老化问题4.难以胶接较厚的结构，可能有残余应力传递均布载荷或承受剪切载荷的部位；非主要承力结构上应用较多，例如车身覆盖件等，精心设计也可传递较大的载荷机械连接1.便于检查质量，保证连接可靠性2.传递较大载荷3.受环境影响小4.无连接厚度限制，对剥离应力不敏感1.制孔导致孔周的局部应力集中，降低连接效率；同时导致复合材料层压板的强度下降2.增加制件的工作量，可能增加成本3.当紧固件与复合材料接触会产生电偶腐蚀需要拆卸的部位；一般用于连接主承力结构，例如防撞梁等混合连接（胶/机械）1.优势互补2.阻止和延缓胶层损伤的扩展3.提高抗剥离、抗疲劳和抗蠕变等性能4.适用中等厚度板的连接1.存在孔应力集中2.工艺相对复杂要求多余度连接的部位，适用于中等厚度板的连接，例如中央通道加强板等2.2典型CFRP车体连接技术应用BMWi3总计34件CFRP零件“生命模块”的90%采用CFRP制成“生命模块”重量：148kg（对应的钢制零件重量：349kg）BMWi3JoiningtechnologyNumberofjointsorlengthofseamsWeldspotequivalents（WSE）calculationSpotweld52521:1Arcwelding0.7m3520mm=1WSEFrictionwelding20mm=1WSELaserwelding10.2m68015mm=1WSEConventionalbrazing20mm=1WSELaserbrazing30mm=1WSEAdhesivejoiningStructuraladhesive172.9m3458(79%)50mm=1WSESupportingadhesiveHemmingadhesiveSealingadhesiveRivets141141（3.2%）1joint=1WSEChinch-spots1joint=1WSEFrictionstirspotwelds1joint=1WSEScrews1212（0.27%）1joint=1WSE2.2典型CFRP车体连接技术应用TotalWSE：4377BMWi3“生命模块”的CFRP零件以胶接连接为主。BMWi32.2典型CFRP车体连接技术应用CFRP零件与附件连接：拉铆螺母、螺柱、Onsert等NEWBMW7CFRP在车顶周围的应用比较突出，是为了减轻驾驶室顶棚的重量并降低重心门槛梁：通过内置两个L型的CFRP部件，在强化刚性的同时还有助于减轻重量为了强化刚性并减少变速箱传来的振动等，在中央通道配置了CFRP加固件。该加固件为コ形，罩在中央通道上4种CFRP成型工艺16个CFRP零部件碳纤维生产采用100%可再生能源车顶纵梁：将CFRP作为中空封闭截面结构的芯材。CFRP芯材的长度不到3m，为一体成型，周围覆盖着钢制表皮。通过使该部件贯穿车体上部，为轻量化和刚性强化作出了贡献2.2典型CFRP车体连接技术应用NEWBMW72.2典型CFRP车体连接技术应用TotalWSE:10392顶盖前顶梁（胶接+铆接）中央通道加强板（胶接+铆接）JoiningtechnologyNumberofjointsorlengthofseamsWeldspotequivalents（WSE）calculationSpotwelds（steel）571957191.0joints/WSEStudwelds(steel)3875780.67joints/WSESheet/standarpart411240.33joints/WSESemitubularrivet56412740.50joints/WSEFullrivet38760.50joints/WSEClinchconnection1271900.67joints/WSEHemmingconnection31066mm43871mm/WSEScrews/Nut(metric)1093300.33joints/WSEInsertNut/Stud260.33joints/WSEFlowdrillscrews1543080.50joints/WSELaserwelding(steel)32976mm99933mm/WSEMAGwelging(steel)633mm2525mm/WSEAdhesivejoiningStructuraladhesiveSupportingadhesiveHemmingadhesiveSealingadhesive156974mm471333mm/WSE129374mm2120mm12226mm13254mmNEWBMW7的CFRP零件以混合连接为主。2.2典型CFRP车体连接技术应用车身用材情况座舱后隔板AudiA8D5奥迪A8-D5为多材料混合车身，其中座舱后隔板为CFRP，提升了整车的扭转刚度；奥迪A8-D5车体连接技术多达14种，其中CFRP座舱后隔板采用胶结+铆接；众泰CFRP车体连接技术的应用与挑战Part033.1众泰CFRP车体连接技术的应用结构胶选型技术路线常规参数电泳后性能测试连接可靠性验证结构胶预选CAE分析结构胶厂家推荐物性、力学性能、施工性能、耐环境性能、法规要求模拟使用温度力学性能挑战3.2众泰CFRP车体连接面临的挑战挑战123关键技术研究：连接工艺设计、性能评价、失效机理、耐久性能（疲劳耐久性、环境耐久性）等提升设计、模拟、仿真分析能力缺乏相关行业规范、标准总结与展望Part044.1总结与展望132胶结连接在进行胶接设计时，避免被胶接件承受法向和剥离力，尽可能承受剪切力；胶接CFRP/金属时，尽量选择韧性较大的结构胶，吸收二者因热膨胀系数不同引起的应力破坏混合连接考虑到实际生产、装配中存在的问题，建议使用混合连接的方式；合理设计连接几何参数（胶层厚度、紧固件间距等），并且避免发生电偶腐蚀；尽可能使用法兰边较大的紧固件，降低CFRP的挤压应力仿真分析典型工况下连接的失效机理及规律建立有效的耐久性（疲劳耐久性、环境耐久性等）损伤经验预测模型4创新连接谢谢聆听2019/04/24