新能源汽車的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化勢頭日顯迅猛態(tài)勢，預(yù)計(jì)到2020 年我國新能源汽車年產(chǎn)量達(dá)到500萬輛，而純電動(dòng)轎車則是這其中的重要代表。但由于能量存儲(chǔ)方式所限，降低能耗、增加續(xù)駛里程成為在電動(dòng)汽車發(fā)展過程中亟需解決的關(guān)鍵問題，而輕量化則是解決這一問題的主要手段之一。

由于車身系統(tǒng)占總質(zhì)量1 /3 左右，該系統(tǒng)輕量化可有效降低整車質(zhì)量，降低整車能耗。碳纖維復(fù)合材料是一種力學(xué)性能優(yōu)良的先進(jìn)輕量化材料，在車身輕量化技術(shù)中，引入碳纖維復(fù)合材料技術(shù)的多材料輕量化車身成為新的發(fā)展熱點(diǎn)。

美國PNGV( Partnership for a New Generation of Vehicles) 項(xiàng)目、美國能源部、福特公司等聯(lián)合開展的MMLV( MultiMaterial Lightweight Vehicle) 等項(xiàng)目均對(duì)此進(jìn)行了研究，而國際知名汽車企業(yè)也以量產(chǎn)為目標(biāo)開發(fā)出相應(yīng)產(chǎn)品: 例如寶馬i3全碳纖維車身( 不含開閉件)和寶馬新7 系Carbon Core車身，均采用CFＲP 技術(shù)實(shí)現(xiàn)了大幅輕量化并引領(lǐng)汽車工業(yè)的新變革。

奧迪也在Audi Ｒ8 基礎(chǔ)上開發(fā)了Ｒ8 e-tron，采用鋁合金框架式車身結(jié)合碳纖維復(fù)合材料用于乘員艙關(guān)鍵零部件，實(shí)現(xiàn)了高強(qiáng)、高安全車體的極致輕量化。

國內(nèi)在碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域仍處于研發(fā)和探索階段，受原金屬車身零部件結(jié)構(gòu)與邊界裝配條件已經(jīng)確定的限制，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用多以材料替換的形式應(yīng)用于外覆蓋件或裝飾件，極少有應(yīng)用于結(jié)構(gòu)件的技術(shù)研究，更無針對(duì)量產(chǎn)車型的開發(fā)。

本研究是基于北京新能源汽車股份有限公司的某全新車型，考慮碳纖維復(fù)合材料特性及成型特點(diǎn)進(jìn)行的碳纖維復(fù)合材料上車體一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證研究，形成了既符合整車技術(shù)指標(biāo)要求，亦有效利用CFＲP 材料特性的CFＲP 上車體結(jié)構(gòu)件，實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維復(fù)合材料車用結(jié)構(gòu)件應(yīng)用技術(shù)的有益探索。

本研究成果集成了車身覆蓋件及結(jié)構(gòu)件功能，并以碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的形式首次應(yīng)用于量產(chǎn)車型，具有國內(nèi)首創(chuàng)性。

2. 1 設(shè)計(jì)要求

根據(jù)上車體的結(jié)構(gòu)和功能，CFＲP 上車體零部件要求替代原車身上車體所含的上車體金屬框架、頂蓋本體以及體現(xiàn)相關(guān)的與前后風(fēng)擋玻璃、通風(fēng)蓋板、天窗、遮陽簾、遮陽板、內(nèi)后視鏡、頂部拉手、安全帶、A/B 柱飾板、尾翼、電子電器線束相關(guān)的所有安裝結(jié)構(gòu); 并滿足與下車體的裝配。原上車體結(jié)構(gòu)零部件見圖1。

(a) 原頂蓋本體

(6) 原上車體金屬框架

在零部件結(jié)構(gòu)性能方面，CFＲP 上車體要求滿足《GB 26134—2010 乘用車頂部抗壓強(qiáng)度》中的安全標(biāo)準(zhǔn)，由于碳纖維復(fù)合材料與金屬不同，屬于硬脆性材料、無塑性變形，因此選擇GB 26134—2010 標(biāo)準(zhǔn)中加載127 mm 強(qiáng)制位移時(shí)，頂蓋部位產(chǎn)生的對(duì)應(yīng)載荷的反作用力應(yīng)大于車重1. 5 倍的判斷準(zhǔn)則進(jìn)行安全性判定( 搭載車型的整備重量小于0. 9 t，所受載荷目標(biāo)值應(yīng)大于12. 2 kN) 。

同時(shí)，上車體需滿足整車搭載彎曲模態(tài)一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)大于30 Hz、MATCH-BOX 模態(tài)大于35 Hz、一階彎曲模態(tài)大于30Hz 條件; 而在滿足結(jié)構(gòu)與功能要求的同時(shí)，輕量化率需≥35%。

2. 2 設(shè)計(jì)方案及典型結(jié)構(gòu)

本研究在全面考慮原上車體結(jié)構(gòu)性能需求及CFＲP 材料特性及工藝特性的基礎(chǔ)上，對(duì)原上車體零部件及結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全新設(shè)計(jì)( 見圖2) :

首先，完全取消原金屬框架零部件，通過在原頂蓋本體前后橫梁部位增加CFＲP 內(nèi)部加強(qiáng)板的形式，充分發(fā)揮碳纖維復(fù)合材料的比強(qiáng)度高、比模量高和可設(shè)計(jì)性的特點(diǎn)，將原金屬上車體框架功能與頂蓋本體集成，形成一體化上車體結(jié)構(gòu)( 見圖3) ;

其次，取消原B 柱壓鑄鋁合金結(jié)構(gòu)，配合安全帶安裝點(diǎn)功能需求，采用在B 柱部位CFＲP 內(nèi)部加強(qiáng)板中增加金屬板預(yù)埋件及螺母結(jié)構(gòu)，滿足B 柱部位的結(jié)構(gòu)與功能要求( 見圖3) ;

再次，周邊零件的安裝結(jié)構(gòu)以鋁合金支架粘接/預(yù)埋形式與CFＲP 上車體集成; 最后，CFＲP 上車體與下車體采用上車體預(yù)埋/粘接鋁合金連接結(jié)構(gòu)，與下車體進(jìn)行螺栓連接及粘接。

圖2 碳纖維復(fù)合材料上車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)數(shù)模

圖3 碳纖維復(fù)合材料上車體主要零部件

2. 3 材料選擇及鋪層

考慮成型工藝易實(shí)現(xiàn)及低成本化，本研究選擇低溫預(yù)浸料及真空袋壓成型工藝。主要鋪層為:

①頂蓋本體，表面采用1 層200 克重T300 斜紋預(yù)浸布，內(nèi)部采用10 層300 克重UD T700SC 預(yù)浸布按［( 0) /0 /45 / － 45 /90 /02 /90 / － 45 /45 /0］鋪層設(shè)計(jì)鋪設(shè)而成;

②內(nèi)部加強(qiáng)板，表面采用一層200 克重T300斜紋預(yù)浸布，內(nèi)部采用10 層200 克重UD T700SC 預(yù)浸布按［( 0) /0 /45 / － 45 /90 /02 /90 / － 45 /45 /0］鋪層設(shè)計(jì)鋪設(shè)而成。低溫固化預(yù)浸料主要力學(xué)性能見表1。

為滿足碳纖維上車體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與性能要求，本研究采用Hypermesh 13. 0 對(duì)上車體數(shù)模進(jìn)行前處理，并采用Abaqus 6. 12 /Lsdyna Ｒ6. 1 /Hyperview13. 0 對(duì)碳纖維上車體方案進(jìn)行頂壓與模態(tài)CAE分析。

3. 1 頂壓CAE 分析

頂壓CAE 分析參考GB 26134—2010 乘用車頂部抗壓強(qiáng)度對(duì)頂蓋部位的測試要求進(jìn)行，分別開展兩種情況的頂壓CAE 分析———上車體零部件頂壓CAE 分析( 見圖4) 及整車頂壓CAE 分析( 見圖5) 。

其中，上車體零部件CAE 分析以上車體部件為對(duì)象進(jìn)行，CAE 結(jié)果表明在進(jìn)行強(qiáng)制位移加載時(shí)，其反作用可達(dá)到21 kN，滿足安全性要求;

而以自車身頂壓CAE 分析以搭載上車體的整車數(shù)模進(jìn)行，其頂壓CAE 分析結(jié)果顯示，車身頂部結(jié)構(gòu)所受載荷增加至28. 1 mm 時(shí)，承受力達(dá)到目標(biāo)值12. 2 kN; 在60 mm時(shí)，承受力達(dá)到13. 6 kN，頂部出現(xiàn)壓潰，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 上車體頂壓CAE 分析

圖5 整車搭載頂壓CAE 分析

3. 2 模態(tài)CAE 分析

為驗(yàn)證上車體設(shè)計(jì)是否滿足整車NVH 需求，將上車體數(shù)模搭載于原車身數(shù)模中進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果如表2 所示，均滿足目標(biāo)要求。1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài)見圖6。

圖6 1 階扭轉(zhuǎn)模態(tài)

本研究主要針對(duì)CFＲP 上車體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，因此研究過程中并未選擇適用于批量生產(chǎn)的成型工藝，而是考慮制件質(zhì)量和工藝可實(shí)現(xiàn)性，選擇低溫固化預(yù)浸料鋪層的真空袋壓成型工藝，以保證樣件質(zhì)量與制造可實(shí)現(xiàn)性的平衡( 見圖7) 。

CFＲP 零部件成型固化溫度為80 ℃，固化時(shí)長為3 h，固化成型CFＲP 零件與金屬零件共同進(jìn)行粘接和裝配( 見圖8) ，各部件的膠接采用金屬框架結(jié)合玻璃鋼壓板的輔助工裝保證膠接區(qū)域的平面度，從而保證膠接后總成的尺寸和精度，最終形成CFＲP 上車體。

圖7 CFＲP 零部件鋪層及固化工藝過程

圖8 零件組裝及粘接工藝過程

5. 1 輕量化效果

經(jīng)實(shí)際測量，CFＲP 上車體總承重量為19. 4 kg，原結(jié)構(gòu)重量29. 27 kg，減重35%。

5. 2 頂壓測試

CFＲP 上車體零部件頂壓測試由天津中國汽車技術(shù)研究中心實(shí)施，試驗(yàn)采用臺(tái)架的方式，以CFＲP安裝與金屬框架工裝的形式模仿CFＲP 上車體在下車體上的安裝狀態(tài)進(jìn)行測試，測試過程及載荷施加條件嚴(yán)格按照GB 26134—2010 進(jìn)行，測試結(jié)果如圖9 所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在測試條件下，上車體可產(chǎn)生20 kN 抵抗力，滿足上車體設(shè)計(jì)要求。由于該測試的工裝約束及載荷施加狀態(tài)與CAE 分析中上車體零部件分析狀態(tài)一致，因此，與上車體零部件頂壓CAE 分析結(jié)果( 21 kN) 相比較，CAE 分析與實(shí)際測試偏差小于5%，CAE 分析結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果具有較高的擬合性。

考慮臺(tái)架測試結(jié)果與CAE 分析結(jié)果具有較高的擬合性，測試結(jié)果滿足安全要求，且整車頂壓測試需對(duì)整車進(jìn)行破壞性試驗(yàn)，因此，暫未開展整車頂壓測試。

圖9 CFＲP 上車體頂壓測試結(jié)果

5. 3 高寒測試及綜合耐久性測試

為驗(yàn)證CFＲP 上車體低溫性能及結(jié)構(gòu)耐久性能，將CFＲP 上車體搭載于高寒實(shí)驗(yàn)及綜合可靠性實(shí)驗(yàn)車輛上，隨測試車輛進(jìn)行高寒實(shí)驗(yàn)( 內(nèi)蒙古呼倫貝爾冬季汽車試驗(yàn)場) 及綜合可靠性實(shí)驗(yàn)。

高寒實(shí)驗(yàn)已經(jīng)完成，綜合可靠性測試已完成30000 km，均未發(fā)現(xiàn)不良問題，滿足設(shè)計(jì)要求。

本研究針對(duì)純電動(dòng)轎車上車體結(jié)構(gòu)件進(jìn)行碳纖維復(fù)合材料設(shè)計(jì)開發(fā)，利用碳纖維復(fù)合材料可集成化及可設(shè)計(jì)性特點(diǎn)，采用整體式上車體結(jié)構(gòu)取代了原上車體框架及頂蓋本體的分體結(jié)構(gòu)，在滿足上車體結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，獲得了較高的輕量化效果。

同時(shí)，本研究完成上車體樣件的試制，并搭載于整車進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證; 通過其CAE 分析及實(shí)車測試認(rèn)為碳纖維復(fù)合材料上車體滿足所需頂壓測試、模態(tài)要求、高寒測試及綜合可靠性測試要求，具有量產(chǎn)應(yīng)用可行性。

由于本研究成型工藝目前選擇適應(yīng)樣件制造的真空袋壓成型，在后期研究中將進(jìn)一步針對(duì)批量生產(chǎn)的需求進(jìn)行適應(yīng)量產(chǎn)化成型工藝的研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化，以最終實(shí)現(xiàn)碳纖維復(fù)合材料車用零部件的量產(chǎn)開發(fā)。