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用高清晰度光纤传感(HD-FOS)验证复合材料弹簧设计

2015年7月《汽车动力学国际杂志》-介绍了一个使用复合材料进行汽车悬架设计的案例研究

VehicleDynamics_Lightweight_article在2015年7月出版的《汽车动力国际》杂志上,《最轻触》(Lightest Touch)的作者提出了一个问题:在汽车底盘上使用复合材料是否是实现欧盟和美国里程目标的关键。这篇文章介绍了2013年标致208混合动力FE轻量化项目的一个案例研究,目标是将汽车重量减少20%。标致在很大程度上实现了这一目标,主要是通过专注于用玻璃纤维树脂复合材料取代用于车辆悬架系统的钢。悬架/底盘组件占整车重量的很大比例,仅次于动力总成和车身。此外,用复合材料制造悬浮部件更容易符合复合材料制造工艺的当前状态。在汽车行业,悬架系统和其他底盘部件可能是复合材料的早期采用者容易获得的成果。

从传统金属到复合材料的过渡——挑战和未知

由于复合材料具有高强度重量比的能力,在军事和商业航空航天部门都获得了显著的牵引力。然而,在航空航天领域引入复合材料并不是一帆风顺的,航空航天工业在许多方面仍处于学习阶段。汽车行业的设计人员需要意识到,复合材料的各向异性和非均质特性限制了公开材料性能数据的可用性。如果没有这些数据,工程师就无法确定计算机辅助工程(CAE)和其他模拟工具能否提供组件性能的准确预测。复合材料给制造带来了额外的挑战,工程师需要确保零件之间的可变性得到很好的理解和控制。在航空航天工业中,复合材料的使用所带来的挑战部分是通过在复合材料结构的测试和验证方法中采用新技术来解决的。Luna公司的高清晰度光纤传感(HD-FOS)是用于航空航天价值链各个层次的关键测试和验证技术。

用HD-FOS测量复合材料部件-用应变计不可能实现应变的全场视图

应变计是测量弹簧应变的传统方法。这种点式传感方法是非常有限的,因为只有那么多的应变片可以安装在弹簧上。每个应变计需要单独布线,为每个测量位置提供单一应变测量。相比之下,一个HD-FOS传感器可以安装在弹簧的整个长度上,并提供以一毫米为增量的应变测量。这种测量弹簧应变的方法提供了仪器的简洁性,以及应变剖面的完整表征,这是任何其他方法都无法做到的。图1显示了带有HD-FOS传感器的钢螺旋弹簧。传感器粘接方法与应变片的粘接方法类似。图2显示了安装在螺旋弹簧上的单个HD-FOS传感器在压缩时的数据。彩色映射图像显示了应变剖面的二维可视化;应变与长度图显示了沿弹簧长度的高清晰度应变测量值。 The advantage offered by HD-FOS as compared to one, two, or even a dozen individual strain gages is very clear and this advantage compounds as component designs move away from metals and toward new advanced composite materials.

图1 -钢发动机弹簧仪表与HD-FOS传感器
图1 -钢发动机弹簧仪表与HD-FOS传感器

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图2 - HD-FOS应变数据-钢阀门弹簧

总结- HD-FOS在汽车,受益于航空航天的经验

复合材料在汽车工业中的应用只是一个时间问题,而不是是否的问题,悬架系统的制造商很可能是复合材料的早期采用者。汽车工业可以借鉴航空航天的经验,包括在测试由复合材料制成的部件和结构时使用HD-FOS传感技术。在航空航天工业中,HD-FOS应用于价值链的各个层次;从表征新材料的性能到大型组件的结构测试。HD-FOS非常适合揭示应变梯度和其他与复合材料相关的不一致,以及伴随其使用的新的加工、紧固和连接方法。

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