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複合材料於車輛產業之應用
  • 發布年度:2011
  • 主要類別:CAE技術
  • 次要類別:電子報
  • 車輛研究測試中心 技術服務處 工程分析中心 林俊志

    由於人類對於石化能源的依賴,石化能源的消耗使得油價逐漸飆漲,國際各大車廠無不卯足全力進行新能源車輛的開發,由低油耗車輛、油電混合車,到目前最熱門的鋰電池電動車的出現,都顯示了人類在交通工具上對於能源替代及降低能耗的迫切需求,在低耗能的設計概念下,車輛的輕量化已是必然的重要趨勢。

    車輛減重設計是降低車輛能源消耗的必要手段之一,除了以各種優化方法在車輛與零組件的構形與尺寸上設法減重外,車輛與零組件的設計也積極的往鋼材以外的材料如鋁合金、鋁鎂合金、複合材料…等其他輕質材料的運用發展,其中「碳纖維樹脂複合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics-CFRP)」即常被採用。碳纖維是一種力學性能優異的新材料,它擁有高比剛性(剛性/比重)、高比強度(強度/比重)、耐腐蝕性、耐高溫等…,因此CFRP將有可能漸漸取代鋼材成為車輛零組件材料輕量化的主流。目前已有許多車輛相關的零組件如引擎蓋、座椅、傳動軸、保險桿等…,已被一些車廠由原來的鋼材改為CFRP碳纖維複合材料,以達到輕量化的目標。

    圖1.複合材料應用於車輛零組件

    CFRP是以樹脂(Epoxy)膠合好幾層不同方向的碳纖維疊層(Layup),屬於非等向性材料(如圖2),意即材料在不同的方向有不同的特性。因此,應用複合材料於車輛零組件的設計時,必須先暸解產品在使用情況下的受力方向,再針對受力方向設計複材疊層的數量與鋪放方向。如何準確的定義複合材料的方向與特性,乃是複材模擬的關鍵之一,目前複材結構的模擬手法,大都以殼元素網格模型(Shell model)進行疊層的設定模擬(如圖3),此種模擬手法是先訂出疊層曲面的法向量,再決定其1、2方向,以簡化繁複的材料方向設定。

    圖2.複材疊層示意圖 圖3. Shell model材料方向設定

     除了材料在方向上的設定外,材料受力後的破壞模式是屬於膠合處剝離或是纖維斷裂,以及各破壞模式的判斷準則皆較一般鋼材複雜,但透過電腦模擬分析軟體的計算,仍可得到所需要的答案。圖4為膠合剝離破壞模式的模擬結果,由該圖可以很容易的觀察疊層受力後,膠合處的剝離過程與應力變化。圖5為模擬複材疊層受撞擊的情形,圖6~圖9為各層受力的應力變化歷程。另外,在模擬分析軟體的介面中,亦可以TASI-Hill、TASI-Wu等不同的破壞判斷準則,直接判斷複材各疊層是否破壞。

     
     圖4.膠合剝離破壞模擬  圖5.複材疊層模擬
       
     圖6. Lay-1(纖維角度90度)  圖7. Lay-2(纖維角度45度)
       
     圖8. Lay-3(纖維角度-45度)  圖9. Lay-4(纖維角度0度)

    在這股新能源車輛的潮流中,車輛與零組件的輕量化已是勢在必行,CFRP複合材料也是必要考慮的選項之一。業者在開發這類新型產品時,若能藉助前述的電腦輔助工程分析方法來輔助產品設計,即可在設計階段即時的掌握產品設計的優劣,也可依據分析結果找出設計的改進方向,進而縮短開發時程與降低開發成本,使設計開發之品質與效率大幅提升。

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