坚持轻质材料

粘合结构的使用增加,从而能够用轻质材料进行更多的制造。

西门子PLM软件 的图像由Siemens PLM提供。


您想如何驾驶或乘坐由轻质材料粘合在一起的汽车?可能是,您可能已经这样做了。在2014年9月8日, 华尔街日报 通知读者“超级胶水是减轻汽车重量的秘诀。”

西门子PLM软件的Syncrofit允许指定通过粘合剂粘合的轻质材料的区域。信息可以传输到NX 计算机辅助设计和仿真软件以进行进一步分析。图片由Siemens PLM提供。 西门子PLM软件 ’s Syncrofit允许指定用粘合剂粘合的区域。信息可以传输到NX 计算机辅助设计和仿真软件以进行进一步分析。 图片由Siemens PLM提供。

3M公司以其黄色便笺纸而闻名,是汽车胶粘剂业务的主要参与者。在其专门针对汽车轻量化的网站部分中,它写道:“你知道今天的一些’车辆中是否包含超过500线性英尺的粘合剂?这比2001年的车辆使用的胶粘剂高出将近15倍。毫无疑问,在轻型车辆设计中,新材料需要采用新的方法将它们连接在一起……胶粘剂在确保工程师的作用方面发挥着更大的作用。可以将这些材料放在一起,而不必担心腐蚀,熔点不同或热膨胀。”

8月,恰逢全球汽车轻量化材料峰会(8月21日至23日在底特律)进行时,组织者发表了对会议发言人杰夫·麦克加里(Jeff McGarry)的采访,杰夫·麦克加里是通用汽车White Dispense Technologies的ME Body工程组经理。麦加里’的团队负责监督在车身修理厂中应用粘合剂和密封剂的设备和过程。

“粘合剂使用量增加带来的最大挑战之一是过程验证,” says McGarry. “只有通过破坏性评估才能完成对接头内粘合剂润湿的验证。破坏性评估既昂贵又费时。”

如果是这种情况,数字仿真技术是否可以在验证胶粘接头和结构的强度和性能方面发挥作用?我们向一些仿真软件制造商提出这个问题。

使用多种轻质材料

六年前,制造业巨头西门子收购了以复合材料设计软件Fibersim闻名的Vistagy。通过这次收购,John O’经验丰富的资深专家Connor成为Siemens PLM Software’航空产品和市场战略总监。

“对粘合剂的兴趣不仅来自于减轻重量,还在于降低成本,” he explains. “机械固定的航空航天组件制造成本高昂。那里’钻孔[和]安装紧固件涉及大量的人工操作,并且该过程容易受伤。” 通过 comparison, “复合材料是基本上粘合在一起的材料。”

“转向使用粘合剂是转向在车辆中使用许多不同材料的副产品,”SIMULIA R的Tod Dalrymple解释说&D应用总监,AM&材料应用,达索系统èmes. “并不是直接导致重量减轻的粘合剂,而是转向使用重量更轻的材料,这可以通过使用粘合剂来实现,”添加Shawn Freeman,Structures R&D首席客户项目总监,达索系统èmes.

在当前的研究项目和行业会议讨论中,可以明显看出向多材料车辆的转变。 2015年,SAE International发布了“多材料轻型车辆项目:PT-170” (sae.org). “铝密集型结构与碳纤维,镁和钛相结合,使C / D级家庭轿车的全车质量降低到超小型B车的质量(两辆车更轻),” the authors note.

2017年,在汽车复合材料会议展览会(ACCE)上,福特汽车公司复合材料全球技术负责人Patrick Blanchard博士发表了主题演讲“完成从金属到多材料汽车解决方案的过渡。”

这种趋势的一个后果是增加了粘合剂的使用。铝,镁和复合材料在传统钢结构中的结合迫使汽车制造商重新考虑它们如何固定和连接零件。“您不希望将钢点焊到铝上。您不能将复合材料点焊到铝上,”达林普尔指出。

轻质材料胶合和拧紧

粘合剂的采用没有’这意味着传统紧固件即将消亡。无螺丝,无螺栓的组件在诸如智能手机,移动平板电脑和连接的监控设备之类的小型消费电子产品中越来越普遍。但是,在较大的航空航天和汽车项目中,紧固件可能会与粘合剂结合使用,从而导致零件被粘合和拧紧。

“我们在这里的共识是[粘合剂]不会消除结构装配中对其他紧固件的需求,” Freeman notes. “它可以减少紧固件的数量,经常导致从点焊到铆钉甚至螺栓连接的变化。对于非结构组件,在某些情况下可以大大减少并消除对​​点焊和其他紧固件的需求。”

与传统紧固件相关的一个问题是,由于周期性载荷和孔和螺栓周围材料的疲劳而产生的潜在裂纹。粘合剂的使用降低了这种风险,但是引入了与粘合表面可能分离的情况相关的其他问题。“如果粘合接头没有得到很好的保护,则可能会脱胶。否则对接缝区域的影响会导致脱胶。同样,在粘合剂的施加中严格的过程控制对于确保其强度也变得至关重要。” says O’Connor.

结合像素

可以在物理上(在测试实验室内部)和数字方式(在有限元软件程序内部)测试组装接头的强度。设计和仿真软件供应商—Dassault Systèmes,Siemens PLM Software及其竞争对手—一直在增加新的增强功能,以跟上其服务行业不断发展的实践。

根据弗里曼的说法,关键是“知道建模连接属性和行为的正确方法—并验证您的模型。”对于模拟软件开发人员,这涉及从粘合剂供应商(例如3M)和材料数据库商人(例如GRANTA)获得正确的材料特征。

在航空航天领域,达索系统èmes以其来自CATIA的旗舰CAD产品及其3DEXPERIENCE平台而闻名。公司’SIMULIA品牌代表其仿真软件产品组合。“我们提供离散紧固件(例如点焊和螺栓)和大面积粘合(例如内聚接触和内聚元素)的技术和选项,”SIMULIA R的Harry Harkness说&Dassault Syst D技术高级总监èmes. “在某些情况下,需要同时使用离散和连续的接口选项。”

仿真工作流程通常从简单的表示开始,然后发展到装配行为的详细数字模型。因此,可能“首先以简单的连接表示形式(例如整个接口上的永久绑定)开始,以获得系统的初步观点,然后逐步完善连接细节以进行后续研究,” suggests Harkness.

“对于虚拟测试,Dassault Systèmes提供了广泛的建模方法,这些方法已经涵盖了点焊,铆钉,螺栓,粘合剂[和]组合,”SIMULIA R的Laurent Petit说&Dassault Syst D应用程序经理èmes. “还有一些工具可让用户使用以下工具捕获各种设计标准:‘knowledgeware’工具箱。将这些规则连接到我们的参数和拓扑优化器可能会导致功能非常强大的AI工具,这些工具可以最小化整辆车的重量,同时自动决定在每种本地情况下使用哪种技术。”

明确定义的关节

西门子PLM软件以其NX软件,设计和仿真软件包而闻名,它提供Syncrofit,一个用于管理复杂装配和接头的程序。“Syncrofit被开发为一种连接工具。是一名设计工程师’解决方案,并在NX内部运行。它还在达索内部运行’的CATIA产品。该软件允许您指定加入方法。这包括机械固定的接头,焊接接头和粘接接头。它还可以让您合并有关接缝的许多其他信息,例如预期的载荷或完成要求。这样,您就可以计算和预测服役期间关节的行为,” explains O’Connor.

Syncrofit本身不’带有求解器,但是该软件与西门子的Simcenter 3D通信’Simcenter产品组合。在这些产品中,工程师和设计师可以模拟和测试3D模型中的各种关节和结构。

“模拟粘合区域—所谓的搭接面—您可以指定所涉及的粘合剂的特性,例如厚度和覆盖率。该信息可以传达给Simcenter 3D,” says O’Connor. “胶粘剂通常不’由于它们的行为像钢或金属一样呈线性,因此您需要更复杂的模拟方法,例如Simcenter 3D中可用的方法。”

“现在,我们可以定义粘合接头,以模拟和预测其在使用中的性能。但是技术在不断发展。您有许多针对不同类型的应用开发的新型粘合剂。获得正确的属性以在CAE工具中运行模拟的能力至关重要,因此我们与材料供应商合作以帮助我们的客户收集这些属性,” adds O’Connor.

看到它粘在哪里

来自3M的与复合材料相关的减重统计数据非常诱人。胶粘剂制造商透露,“由碳纤维增强塑料(CFRP)制成的组件比钢组件轻40%,而铝的轻约20%。现代的高填充热塑性塑料可将重量减少多达30%。”

Freeman注意到,与20年前相比,现在使用胶粘剂的情况普遍。“在原始设备制造商中,非传统材料的使用量一直很低,但是现在我们看到,即使对于大容量车辆,材料选择上的灵活性也更高。” he says.

3M磁铁粘合粘合剂AU-205是设计工程师如何使用粘合剂的一个例子。它旨在为电动机设计和制造工程师提供一种将永磁体粘结到高效永磁电动机中的转子和定子上的方法。图片由3M通过美国商业资讯提供。 3M磁铁粘合粘合剂AU-205是设计工程师如何使用粘合剂的一个例子。它旨在为电动机设计和制造工程师提供一种将永磁体粘结到高效永磁电动机中的转子和定子上的方法。 图片由3M通过美国商业资讯提供。

但是,如果粘合剂过于激进而无法粘合轻质材料,那将是一个错误。在设计为使用寿命有限的一次性产品(例如,智能手表)中,这可能并不重要。在航空航天和汽车项目中,预计飞机和车辆在其整个使用寿命中都会经历许多维修和保养周期,如果使用不当,密不可分的结合可能会变得昂贵。

“需要修理的组件时’拆下螺栓和紧固件以拆卸它是一回事,而将胶合的零件脱粘则是另一回事,” O’Connor points out. “虽然胶粘零件有很多优点,但也存在疑问’适合使用它们,以及在哪里使用’不是。理解这种平衡对于最佳利用胶粘技术中正在进行的创新非常重要。”

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黄健贤

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