巴斯夫展示用于汽车轻量化的先进CAE技术

作者:本网编辑 文章来源:AI《汽车制造业》 发布时间:2012-03-14
巴斯夫展示用于汽车轻量化的先进CAE技术


巴斯夫工程塑料高级副总裁、亚太区负责人鲍磊伟先生(左)与巴斯夫工程塑料大中华区CAE主 管工程师金晶先生(右)

近日,巴斯夫工程塑料(以下简称“巴斯夫”)为其虚拟汽车开发工具“ULTRASIM”——代表当今尖端水平的CAE(计算机辅助工程)技术举行了媒体见面会。巴斯夫工程塑料高级副总裁、亚太区负责人鲍磊伟(Andy Postlethwaite)先生与巴斯夫工程塑料大中华区CAE主管工程师金晶先生亲自到会为来宾介绍了ULTRASIM工具的强大功效,并举例说明利用它如何为汽车制造商提供塑料轻量化解决方案。

对于汽车制造行业而言,无论是制造传统的内燃机汽车、混合动力汽车还是纯电动汽车,如何使整车更加轻量化是全行业面临的一大挑战。塑料作为一种性能优良的轻质材料,已越来越受到汽车制造商的重视。借助CAE工具,通过强大的计算机模拟技术对虚拟设计进行优化,汽车制造商可加快塑料零部件从概念到成品制造的整个开发过程,进而缩短开发周期及降低成本。

ULTRASIM代表了巴斯夫在热塑性零部件CAE模拟技术方面的最新成果,它使得巴斯夫可为汽车制造业提供多种轻量化解决方案。据金晶先生介绍,ULTRASIM主要由两部分组成:首先是巴斯夫在材料模型上的一体化模拟技术,可确保对模型进行精确地计算。这就意味着设计人员能够精确模拟短玻纤增强材料的复杂特性。不过,如果零部件设计不佳,再准确的材料模型也毫无用处。 因此,ULTRASIM的第二部分主要用于从最初阶段就优化零部件形状,使材料能够物尽其用,即确保部件形状得到正确的设计。除了模拟技术之外,巴斯夫还提供多种测量系统,可采集不同温度、应变速率和应力状态下的材料参数。

对于采用玻璃纤维增强材料制成的塑料零部件而言,其特性在很大程度上取决于纤维在零部件中的排列方式。而排列方式又受到注塑成型工艺条件的影响。ULTRASIM可将模拟过程中获得的纤维取向数据导入巴斯夫材料模型,并将其用于各种力学计算。材料模型中涵盖了塑料材料工作行为的所有重要方面,如各向异性、拉伸压缩不对称性、温度敏感性、应变速率敏感性以及特别开发的失效模型。

通常,设计人员采用ULTRASIM的开发流程如下:首先,根据最初设计建立初步模型,接着进行拓扑优化以确定塑料零件的整体设计。然后,在整体设计基础上建立更详细的模型,并通过注塑模拟观察聚合物熔体如何流入塑料零件。 同时,还通过注塑模拟计算纤维取向,并结合复杂而精确的材料性质模型进行应力模拟(结构分析模拟)。在应力模拟中,需根据巴斯夫独有的失效标准对这个精确而复杂的材料模型进行分析,从而能够准确预测零件的实际工作行为。

“汽车座椅和全塑车轮两个应用实例可以很好地说明ULTRASIM的开发功效。”金晶先生说。

下一代的汽车座椅必须应对诸多挑战:更舒适、更符合人体工学原理、重量更轻、座椅靠背厚度更小以增大车厢空间,同时还不能牺牲安全性能。为了满足Opel Insignia对于座椅的这些要求,Recaro公司与巴斯夫联合进行了研发。巴斯夫专门为这种座椅的座板和靠背开发了两种Ultramid产品和一种用于吸收碰撞能量的EPP泡沫。由于椅背暴露在外,因此除较高的坚固度和优异的碰撞性能外,Ultramid还必须表现出良好的表观。此外,为满足各种技术要求,塑料座椅必须通过在不同温度下进行的安全测试,包括后撞测试和行李固定测试等等。在后碰撞测试中,假人模型的重量是导致塑料座椅失效的主要原因。在行李固定测试中,塑料座椅不得出现开裂或损坏,以免造成乘客受伤。金晶先生说:“利用ULTRASIM,巴斯夫对该塑料座椅进行了优化以满足各种安全要求。实际测试显示,这种塑料座椅解决方案能够在-30~80℃的环境中达到碰撞安全要求。”

smart forvision是戴姆勒公司和巴斯夫联合研发的一款电动概念车(在2011年法兰克福国际汽车展中首次展出),它配备了适于量产的全塑车轮。这种车轮采用巴斯夫新型高性能材料Ultramid Structure生产,其稳定性堪比金属,而重量最多能减轻30%。ULTRASIM在该车轮的研发过程中发挥了至关重要的作用。作为巴斯夫第一款长纤维增强 (LF) 聚酰胺产品,Ultramid Structure在研发之初即以替代金属为目标,从而实现了性能上的显著提升。采用该长纤维增强塑料制成的零部件可通过常规注塑成型工艺形成3维玻璃纤维结构,使制成品在高温和低温下都具有卓越的物理性能。得益于这种结构,该长纤维增强塑料的翘曲、蠕变和能量吸收行为已经接近金属,同时还保持了塑料的传统优点。针对这种新型聚酰胺,巴斯夫对ULTRASIM进行了相应改进,使其能够模拟长玻璃纤维增强零部件的行为。最终实验结果与模拟结果相符,这样巴斯夫可为今后采用Ultramid Structure制成的零部件的设计提供辅助。目前在长纤维聚酰胺领域,达到这样完善程度的零附件设计辅助服务仍属空白。 “由于塑料车轮必须满足严格的测试要求,因此巴斯夫借助ULTRASIM对塑料行为进行了精确模拟,并在分析基础上将玻璃纤维取向产生的影响融入复杂而精确的材料性能中。”金晶先生介绍说,“为确定这种塑料车轮的量产潜力,戴姆勒在实际测试中对多种因素进行了评估。测试项目包括多种钢铁/铝合金车轮标准测试,诸如帮转疲劳测试、车轮双轴测试、冲击测试和径向跳动测试等。在测试中,该塑料车轮经受了弯道高速行驶、紧急制动、凹坑行驶以及路沿颠簸等恶劣条件的考验。”

“这两个例子很好地展示了巴斯夫先进CAE技术是如何推动工程塑料替代金属的。事实上,如果使用更多工程塑料,中国的汽车制造商在减轻车身重量、降低生产成本方面将大有可为。减轻车身重量,就意味着能降低油耗和排放,因而成为重要开发目标。”鲍磊伟先生说,“在欧洲,每辆汽车的平均聚酰胺用量为20kg。例如,大众高尔夫这款大空间中型车就使用了25kg;宝马1系更是高达28kg。而中国汽车的平均用量仅为6kg。 因此,中国汽车制造商以工程塑料代替金属的潜力巨大。”

“从上面的例子我们也可以看到,巴斯夫不仅提供原材料,更与客户密切合作来开发创新解决方案。这些解决方案的开发均在巴斯夫技术中心完成。在亚洲,巴斯夫工程塑料在中国、日本、韩国、印度和马来西亚都设有技术中心。这些技术中心是巴斯夫全球网络的一部分。巴斯夫技术支持涵盖了从概念到设计(包括原型设计)以及成品测试的各个环节。” 鲍磊伟先生补充道。

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