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Steel/CFRP复层材料混合热拉深成形实验研究

朱新峰  
【摘要】:随着汽车产量和保有量的不断攀升,世界范围内的能耗、安全、环保问题日益严峻,而汽车轻量化在应对以上问题方面优势明显。碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP)具有质轻、比强度高、比模量大、可设计性强、碰撞吸能性好、结构尺寸稳定性强以及利于一体化成型等特点,在汽车轻量化方面潜力巨大。面对CFRP价格居高不下的现状,采用钢板和CFRP构成Steel/CFRP复层材料来制造汽车构件,一方面能在满足强度刚度要求的前提下,大量减轻整车重量;另一方面有利于降低汽车构件的综合成本,满足大批量生产的要求。此外,Steel/CFRP复层材料制成的汽车构件能克服单一材料性能不足的缺点,具有更优越的疲劳性能、耐腐蚀性能和抗冲击性能。本文提出适合Steel/CFRP复层材料构件批量生产的混合热拉深成形工艺,通过Steel/CFRP复层材料盒形件的混合热拉深成形工艺实验,对其成形特点、成形缺陷、厚度分布及结合界面进行了相关研究。主要研究内容如下:(1)介绍了Steel/CFRP复层材料混合热拉深成形工艺的原理和特点,自主设计开发了一套可加热温控的Steel/CFRP复层材料盒形件混合热拉深成形实验装置,借助该装置成功完成了Steel/CFRP复层材料、纯钢板和纯CFRP盒形件的混合热拉深成形工艺实验,验证了此工艺用于制造轻量化Steel/CFRP复层材料车身构件的可行性和有效性;(2)通过分析Steel/CFRP复层材料盒形件钢板表面网格变形情况,对比纯钢板盒形件,研究了Steel/CFRP复层材料盒形件钢板材料的成形特点及CFRP对钢板材料变形的影响;通过分析Steel/CFRP复层材料盒形件CFRP表面纤维剪切角大小分布规律,对比纯CFRP盒形件,研究了Steel/CFRP复层材料盒形件CFRP的成形特点及钢板材料对CFRP变形的影响。以上研究为复杂形状Steel/CFRP复层材料车身覆盖件及骨架件的成形工艺方案确定提供了理论依据;(3)通过宏观分析,探讨Steel/CFRP复层材料盒形件混合热拉深出现的成形缺陷,揭示其产生机理、提出相应抑制措施,研究Steel/CFRP复层材料盒形件不同成形区域的厚度分布情况。以上研究有助于提高Steel/CFRP复层材料构件的成形质量和改善其力学性能;(4)通过扫描电镜对Steel/CFRP复层材料盒形件不同成形区域的结合界面进行微观分析,研究了Steel/CFRP复层材料盒形件不同成形区域的界面结合状态,揭示了变形规律对Steel/CFRP复层材料盒形件结合界面的影响,为通过界面结合状态调控来提高Steel/CFRP复层材料构件的力学性能提供了可靠依据。


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