現在、新エネルギー技術、軽量化技術、インテリジェントネットワーク技術が自動車産業の発展と技術革新をリードする3大方向であり、炭素繊維複合材料はその軽量性と優れた特性により自動車軽量化技術分野のリーダーとなっている。高い強度性能。炭素繊維複合材料の特殊性と複雑さのため、この論文では、材料の選択、構造設計と最適化、レイアップ設計と最適化、アセンブリ接続設計、シミュレーション分析、プロセスの側面から炭素繊維複合材料ドアの研究開発技術を調査します。ドアの軽量化・一体化・モジュール化を実現するためのモールド成形等を採用。

新エネルギー車の中核技術の 1 つである軽量化
技術は、省エネと排出ガス削減、グリーン開発を実現し、自動車業界の双方にとって有利な状況を促進する唯一の方法であり、自動車産業のトレンドと傾向となっています。世界の自動車の発展。自動車の軽量化を実現する最も直接的かつ効果的な方法は、軽量素材を使用することです。炭素繊維強化プラスチック（CFRP）は、高強度、高剛性、高破壊靱性、耐食性、高減衰などの特性を持ち、車両の重量を大幅に軽減でき、軽量化率は50％〜60％です。車両の耐用年数、燃費、安全性、快適性を大幅に向上させると同時に、自動車業界で最も理想的な軽量素材として認識されています。

材料の選択とテスト
部品の性能、安全性、耐久性、負荷条件、その他の要因に応じて、自動車用複合製品の製造に適切な材料を選択する必要があります。自動車産業における炭素繊維の性能要件には、炭素繊維の強度レベルに応じて T300 と T700 が一般的に使用されます。中間素材の形状に応じて、プリプレグ、ファブリック、一方向ベルト、多軸編組布などがあり、トウのサイズに応じて、3K、6K、12K、18K、24K、48Kなどがあります。代表的な樹脂の種類としては、エポキシ樹脂、ポリウレタン、ダブルホース樹脂、フェノール樹脂、ポリイミド樹脂などが挙げられます。上記の材料組成や材料形状の選択には、外観、使用環境、性能、コスト、プロセスなどを総合的に考慮する必要があります。

このブログで研究したドアは、T300 グレード、二軸炭素繊維織物強化エポキシ樹脂ベースのプリプレグの 3K トウを選択しました。

構造設計と最適化

モデル削減設計
複合材料の形成は、多層プリプレグの敷設と重ね合わせた圧力硬化によって行われるため、複合材料構造の設計では繊維敷設の技術性を考慮する必要があります。つまり、角度遷移は次のとおりです。可能な限り平滑にし、鉄筋や鉄筋溝の特性を軽減する必要があります。したがって、ドア金属データモデルと設計ハードポイント情報を取得した後、まずモデルを単純化し、剛性を高めるために使用される補強溝や補強材を削除または削減し、旋回領域での遷移やコーナーの丸みに対応する必要があります。 。

ドア内板の金属モデルと簡易処理後の複合モデルの構造を図に示します。

（緑色の部分がメタルモデル、赤色の部分がコンポジットモデル）

積層構造のフィレット半径は、選択した材料、金型、積層部品の厚さの柔軟性に関係します。角丸の最小半径は製造部門と相談して決定する必要があります。角丸の半径が小さすぎると、角部に繊維切れ、ブリッジング、樹脂溜まりなどの製造欠陥が発生します。したがって、複合材料の積層構造を設計する際には、鋭角な角が形成されないように、角の半径をできるだけ大きくする必要があります。

ドア内板コーナー部の金属モデルと処理後の複合モデルを図に示します。

（緑色の部分がメタルモデル、赤色の部分がコンポジットモデル）

統合設計
従来の金属製ドア構造には、一般に外板、内板、窓枠補強板、上下ヒンジ補強板、ロック補強板、リミッター補強板、ウエストライン補強板、衝突防止ビームなどの構造部品が含まれています。一般的なスチール製金属ドアモデルの分解図を図に示します。

複合材料の利点は、部品と留め具の数を大幅に減らし、接続と組み立てを簡素化し、複合材料の製造コストを削減し、材料の統合を達成するために、いくつかの部品を組み合わせて全体の成形品を作成できることです。機能と構造。

複合材料の統合設計により、ドアストッパー補強板、ロック補強板、ヒンジ補強板をインナープレートに統合することができ、さまざまな規制要件と性能指標を確保することを前提として、ストッパーの取り付けと動作チェックの問題を解決し、ローカルでの作業を行うことができます。ストッパーとヒンジの取り付け部分を厚くし、局所的な強度と剛性を向上させます。衝突防止ビームは車両のドアプレートに統合することもでき、サンドイッチ構造の設計方法により、外板全体の剛性が向上するだけでなく、部品点数と組み立てコストも削減されます。

外板に衝突防止ビームが組み込まれた炭素繊維複合発泡サンドイッチ構造を図に示します。

（左が金属外板と衝突防止ビーム、右が複合外板）

舗装設計と最適化
レイヤ設計は複合構造設計の鍵となります。積層設計のコア技術は、単層構造の優れた性能を複合構造のコンポーネントにどのように伝達するかであり、積層構造は前後を接続する役割を果たします。したがって、複合層の設計では、複合コンポーネントの荷重条件と力伝達経路を考慮するだけでなく、複合成形プロセスの難しさにも注意を払う必要があります。炭素繊維複合材料の構造設計の基本原則は次のとおりです。

a) 主応力の原則: 軸受性能を最大限に発揮するには、繊維の方向はコンポーネントの主応力の方向とできる限り一致している必要があります。繊維の。
b) 対称バランスの原理: 対称バランス積層体は、硬化後のさまざまな結合効果によって引き起こされる反り変形を回避できます。
c) 舗装方向の原則: 一般に 0°、90°、±45° およびその他の舗装方向を使用し、設計と施工量を簡素化するために舗装方向を最小限に抑え、舗装層の最小割合は ≥10% です。
d) 積層順序の原則: 層間剥離やひび割れによる損傷を防ぐために、積層の同じ角をできるだけ均等に配置します。通常は 4 層以下です。

仮想プロセスオーバーレイの処理では、オーバーレイ結果を評価する必要があります。オーバーレイが不十分な場所では、オーバーレイ解析が完全に合格するまで、合理的な分割、オーバーレイの開始点、刃先、パッチの変更、およびその他の設計方法を採用して、オーバーレイの分割または原点を最適化する必要があります。

このブログでは、炭素繊維複合材の外板は、構造が単純で、外観が滑らかで、選択されたプリプレグ材料で直接覆われています。内板の構造はより複雑で、プリプレグコーティング技術に対応するには分割する必要があります。

Siemens Fibersim 複合設計ソフトウェアに基づいて、外側および内側のボードのカバレビリティが分析され、最適化されました。内外基板の被覆性も良好であり、製造ニーズに応えることができた。

ドアパネルのクラッディング効果を図に、ドアパネルのクラッディング効果を図に示します。

（外装パネルカバー効果）

(ドア内装パネルオーバーレイ効果)

展開図は複合ドアの製造に使用され、導出されたデータは自動布裁断機が識別できる情報として直接使用できます。炭素繊維複合材ドアのインナーパネルの0/90°方向の配置図を図に示します。

（ドア内装パネルレイアウト開発）

接続設計と組立
複合接続設計技術では、一般に構造部品の伝達荷重の大きさ、接続部分の重要性、接続部分の材料特性などを考慮する必要があります。環境条件、検出可能性、分解および修理可能性、ならびにプロセスおよび製造コスト。複合材料の接続は、一般に機械的接続、接着剤による接続、ハイブリッド接続に分類されます。

機械的接続

（左からコネクタB、ナット、ボルト、コネクタA）

接着接合
複合材料の接合とは、部品を接着剤で接合して取り外し不可能な一体化することを指し、実用的かつ有効な接合技術であり、複合材料の接合に広く使用されています。接着剤接合部の構造設計も多様で、接着剤の形状に応じて、平面ラップ、コーナーラップ、T字型接着、チューブ、ロッド接着などの形式に分けることができます。材料の接合方式に応じて、バットジョイント、ラップジョイント、プラグジョイント、ステップラップジョイントなどに分類できます。
ボンディング接続図を図に示します。

（左から右へ：コネクタB、構造用接着剤、コネクタA）

ハイブリッド接続

（左から右へ：コネクタB、皿リベット、構造用接着剤、コネクタA）

プロセス成形と加工
プロセス成形
高度な樹脂マトリックス複合材料の成形および製造技術は、基本的に湿式成形と乾式成形の 2 つのカテゴリに分類できます。

一般的な湿式成形方法には、レジン トランスファー モールディング (RTM)、真空アシスト モールディング (VARI) などが含まれます。
乾式成形の一般的な成形方法にはオートクレーブ成形や金型成形などが挙げられます。大型で複雑な形状、部品の集積度が高い場合にはオートクレーブ成形を使用します。小型の高精度部品の場合は、通常、成形品が使用されます。

炭素繊維複合材の成形プロセスの選定は、原料の選定と同時に行われます。本稿では外装パネル、内装パネルともにプリプレグ材料を選定し、成形方法は乾式成形としました。大型であることを考慮すると、取付面や取付穴には高精度が要求され、特に外板の表面品質はクラスAに達する必要があり、内板の構造は複雑で厚みが変化し積層されており、内板、外板とも成形されている。両面硬質プリプレグ金型。


加工
硬化および成形後、複合材料も加工する必要があります。これには通常、穴あけ、トリミング、研削などが必要です。特にドアや内板および外板のような複雑な複合製品の場合、穴の数が多く、加工が難しく、精度が高く、時間がかかり、コストが高くなります。

炭素繊維複合材料製品の加工は通常、伝統的な加工方法と高度な加工方法に分けられ、伝統的な加工方法は基本的に金属加工技術と設備に従い、先進的な複合材料加工方法は製品の加工品質と性能を大幅に向上させます。従来の加工方法は加工品質の要件を満たすことができないだけでなく、複合製品に損傷を与える可能性があり、さらには損傷を引き起こす可能性があり、高度な加工方法と設備は高価であり、加工コストが高すぎます。
高度な加工技術には、レーザー加工、高圧ウォータージェット加工、超音波加工などがあります。


結論
上述の炭素繊維複合材ドア構造の設計プロセスと技術は多くのプロジェクトによって検証されているが、経済性、保守性、製造能力などの欠点があることは避けられず、その他の要因が自動車会社にとって障害となっている。カーボンファイバー市場への移行。炭素繊維産業の継続的な発展と自動車の軽量化技術の成熟に伴い、自動車産業における炭素繊維複合材料の応用はさらに広範囲になるでしょう。