碳纖維復合材料車用結構設計與仿真研究綜述

高豐嶺 王雪穎 戰楠 卜曉兵

摘要：汽車輕量化技術是實現汽車節能減排的重要舉措，已成為國內外汽車工業界的研究熱點。碳纖維復合材料在車身上的系統應用引領了汽車行業，尤其是新能源汽車的輕量化進程。本文對國內外碳纖維復合材料車身及零部件的研究成果進行回顧與總結，從結構設計與性能仿真兩個方面對目前的研究成果進行了綜述，并分析存在的問題和進一步深入研究的方向。

關鍵詞：碳纖維復合材料;車身;結構設計;性能仿真;輕量化

中圖分類號：U463.83+1 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2020）02-0074-07

高豐嶺

畢業于北京理工大學，工學博士，現就職于中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司，任碰撞部工程師，主要從事車身多學科優化、汽車輕量化技術工作，已發表論文數篇。

引言

汽車輕量化技術是實現汽車節能減排的重要舉措，是汽車產業發展的重要方向之一。為推動汽車實現輕量化，各國政府或組織制定了一系列相關政策，并啟動了相關研究計劃項目，取得了豐富的科技成果，有力的推動了汽車輕量化進程。由于新型動力源的比能量低于汽油及柴油燃料，目前新能源汽車在與傳統汽車同等排放量的單位能耗（能耗/100km）下，不能像傳統汽車那樣靠一次補充能量來實現長距離的行駛。輕量化技術可以在保證新能源汽車的剛度、強度、安全性、可靠性、舒適性不降低以及在整車成本可控的前提下，通過減輕自重提高有效載質量來彌補目前新型動力源比能量不足的缺陷，達到延長汽車續駛里程的目的。汽車車身的質量約占整車自重的2/3，因此針對新能源汽車車身結構的輕量化設計對突破節能增程技術瓶頸，推動新能源汽車產業化意義重大。

隨著各國電動汽車產業的不斷發展，電動化與輕量化的結合已成為世界汽車工業的發展趨勢。由于金屬材料的車身結構減重空間有限，而碳纖維復合材料（CFRP）具有輕質高強、設計自由度大、耐銹蝕、成型工藝性好等優點，在電動汽車上的應用潛力巨大。因此，寶馬汽車通過與三菱麗陽、西格里合作，開發出i3與i8車型產品H，推出模塊化設計的CFRP乘員艙與鋁合金底盤的全新車身架構，引領了國際電動汽車行業的輕量化進程。

近年來，在寶馬公司的啟發下，國內外各大汽車廠商及研究機構已紛紛對CFRP在電動汽車上的廣泛應用開展研究。從目前已有的研究成果來看，國外在批量化生產CFRP車身電動汽車整車產品方面取得了一定突破，但離預期目標尚有不小差距;而國內高校、研究機構、車企的研究成果主要集中在板簧、傳動軸、外覆蓋件等零部件，對汽車輕量化技術的主要研究對象一車身結構件、子總成以及整車結構的深入研究較少，批量化生產更是任重道遠。究其原因，除了產業鏈中包括成型技術等其他技術尚不完善外，從汽車產品正向開發角度來講，目前國內外尚缺失系統的CFRP車身及零部件結構設計與性能仿真技術儲備。鑒于此，本文從上述兩個方面簡要介紹國內外的研究成果，提出存在的問題并分析進一步研究的方向。 1CFRP車身及零部件的結構設計

CFRP具有各向異性的力學特性，其制品具有結構設計空間大的特點，材料一結構一性能一體化設計是實現CFRP車身結構及零部件設計的根本方法。

1.1 CFRP車身及零部件的整體結構設計

目前的CFRP車身零部件多沿用原金屬材料零部件的結構形式，這樣的設計難以發揮CFRP各向異性力學特性的特點，存在設計保守、材料浪費、結構冗余等弊端。例如，Kang等人針對熱固性樹脂基CFRP的大客車翻滾保護桿進行研究，通過側翻仿真分析發現在滿足車身剛、強度的條件下，采用了新材料后大客車的質心位置下降，整車質量及側翻彎曲慣量降低，提高了大客車的動力性及燃油經濟性。為了在滿足輕量化要求的同時增加車頂的剛度，在乘用車薄鋼板車頂結構的基礎上，Bambach采用CFRP作為增強相，通過車頂的準靜態壓潰仿真與實驗分析，驗證了車頂剛度強化與整車減重的效果。Kim等人。設計并制造了熱塑性樹脂基混雜纖維復合材料汽車保險杠橫梁結構，研究發現在提高碰撞性能的同時該保險杠結構與原金屬結構相比減重33%。此外，已有國內外學者對新型CFRP車身零部件展開研究，但僅限部分車型的少量應用，沒能形成完善的零部件結構設計方法體系。例如，Ingrassia等人鏈擇用混雜纖維復合材料代替金屬材料重新設計重型貨車的拖車車架，采用新材料的同時改變了原車架的拓撲結構（如圖1所示），在保證基本力學性能的基礎上實現了車架減重30%的目標。

為了增加某款敞篷跑車的扭轉剛度，Feraboli等人設計了CFRP副車架，改進后的設計使得敞篷跑車的扭轉剛度達到了原車型的級別。與車身零部件的設計類似，CFRP車身結構的設計工作同樣存在著上述問題。Feraboli等人對CFRP在某款高端跑車車身結構的應用進行了介紹（如圖2所示），但沒有對設計細節進行詳細說明。

如圖3所示，Liu等人設計了一個具有碳纖維斜紋織物復合材料空間框架結構模塊的純電動汽車車身結構，并進行了頂部壓潰仿真分析，但車身復合材料空間框架結構的設計細節同樣未見報道。

由此可見，近年來國內外學者在進行CFRP車身結構及零部件的設計時，其結構基本沿用原金屬材料零部件的結構形式，沒有針對復合材料各項異性力學特性的特點在整體結構設計時進行過多考慮，還有巨大的設計潛力沒有開發，產品性能可以進一步提高，質量可以進一步降低。而新結構形式的CFRP車身結構及零部件設計基本采用的是探索式的設計方法，設計效率低下，耗工耗時，成本增加。總而言之，在進行CFRP車身結構及零部件的結構設計時，需結合材料各向異性的力學特性開發出適用的結構設計及優化方法。

在諸多結構優化設計方法中，連續體結構拓撲優化，是一種根據給定的負載情況、約束條件和性能指標，在給定的區域內對材料分布進行優化的數學方法。傳統的拓撲優化面向的是各項同性材料，作為最高層次的結構設計方法，在汽車領域，拓撲優化已貫穿到“車身結構一子總成一零部件”的整個設計過程當中。如果將連續體結構拓撲優化拓展到面向復雜工況的各向異性材料結構設計中，是實現CFRP車身結構及零部件低成本高效率整體結構設計的有力保證。

1.2CFRP的優化設計

CFRP多采用鋪層方式將不同類型的纖維織物疊放在一起固化成型，因此材料本身即為一種結構形式，在整體結構拓撲形式確定的條件下，鋪層材料的種類、鋪層角度、鋪層順序、鋪層厚度以及鋪層數量等因素直接決定了復合材料的宏觀力學性能，進而決定了結構的整體性能。因此，在進行CFRP車身結構及零部件的結構設計時，復合材料本身的設計是必不可少的環節。國內外的諸多學者針對此方面問題進行了大量的研究，例如，Kim等人基于遺傳算法研究了單向連續CFRP的鋪層順序對于復合材料汽車懸架控制臂靜剛度、強度的影響。與之類似，Zhu等人同樣基于遺傳算法探討了鋪層順序對于CFRP傳動軸臨界屈曲載荷的影響。通過采取實驗、仿真、響應面與NSGA-II算法相結合的研究方法，Duan等人開展了不同的鋪層厚度對于CFRP波紋板在碰撞工況下比吸能量與最大碰撞力的影響的研究。在上述面向性能要求的CFRP優化設計研究工作中，都僅將某一個或某幾個影響因素作為研究對象，沒能通過有效的方法將全部的影響因素涵蓋在內，形成多變量、多目標、多約束的設計方法，這是遲遲不能建立系統的車用cFRP結構設計標準的重要原因。

影響CFRP性能的因素繁多，如在一次優化設計工作中將上述因素作為設計變量同時考慮進去，會極大的增加優化求解的難度，大大降低計算效率甚至難以收斂。采取分級式優化設計策略是一種有效的措施。針對復合材料的鋪層設計，Ferreira等人基于“離散材料優化”（DMO）方法，該方法通過將每一鋪層的本構模型用各候選材料本構模型的插值函數加權形式來表示，以各候選鋪層材料的權值為設計變量，通過迭代計算最終實現鋪層材料的優化設計。通過對DMO方法的系統研究，將其拓展到面向CFRP的多種力學性能設計，并將鋪層原則等若干工程經驗以約束形式耦合在該方法中，可以解決上述問題，最終實現cFRP分級式優化設計方法的完善。

1.3CFRP車身結構及零部件的材料一結構一性能一體化設計

單純的整體結構層面上（宏觀）的設計與復合材料層面上（細觀）的設計都無法實現CFRP車身結構及零部件的最優設計，必須在二者之間建立一座橋梁，實現多尺度下車身結構及零部件的材料一結構一性能一體化設計。國內外已有諸多學者對“實體相一空相”兩相材料構成的復合材料的材料一結構一性能一體化設計開展了大量的研究工作，其基本思想是通過構建雙層架構多尺度（宏觀結構與細觀代表性體積單元（單胞））的拓撲優化方法重復循環迭代來實現一體化設計。借鑒此研究思路，建立面向復雜鋪層形式的CFRP結構與材料設計的雙層架構多尺度優化設計方法，并通過軟件的二次開發將該方法集成到有限元分析軟件中，是實現CFRP車身結構及零部件設計的重要技術保障。

2CFRP車身及零部件的性能仿真

CFRP的多尺度效應、基體的非線性力學特性、材料的應變率相關的力學響應特點、材料復雜的強度理論與失效機理，結合車用工況的復雜性，使得而向CFRP車身結構及零部件力學性能分析的計算機仿真工作困難重重。

2.1CFRP車身及零部件基本力學性能仿真分析

進行車身結構及零部件基本力學性能仿真分析（剛、強度，模態分析）的基礎是要獲得材料的本構模型。而車用CFRP的種類眾多，包括：單向連續碳纖維層合復合材料，2D編織、2.5D編織、3D編織碳纖維及混雜纖維復合材料，碳纖維及混雜纖維中空織物及其填充結構，夾芯碳纖維復合材料及結構等。同時，影響材料性能的參數也眾多（不考慮工藝力學因素，單純從材料本身性能來講），包括：纖維與基體的牌號、纖維的編織方式及纖維的混雜方式等，如果只采取試驗的方法測得復合材料的本構模型將是一項耗時耗工的大工程。Lu等人通過定義材料細觀尺度上的代表性體積單元（“胞元”，如圖4所示），并對其進行有限元建模仿真分析，獲取了CFRP的宏觀本構模型。此種方法盡管有效，但其是針對某種CFRP“胞元”形式進行具體的建模分析，幾何及有限元建模的工作量很大，如果開展參數化的建模方法將實現一類CFRP的統一建模，具有重要的科研及工程意義，是亟待解決的問題。

2.2CFRP車身NVH及耐久性仿真分析

進行車身NVH特性仿真分析時材料的阻尼特性是需要考慮的關鍵材料參數之一。如何開展高效的CFRP阻尼特性的試驗研究是材料領域非常關心的問題?；谟邢拊岸囿w動力學軟件建立整車的剛彈耦合模型及車室聲固耦合有限元模型，是進行汽車NVH特性計算機仿真分析的基礎。由于電動汽車噪聲源振聲能量產生機理與傳統燃油汽車有所不同，CFRP又存在較為復雜的聲振特性，給傳統的NVH分析方法帶來了挑戰。

傳統金屬車身結構的螺栓連接及點焊連接處處于應力集中狀態，是車身耐久性設計與分析重點考察的對象。CFRP具有比金屬材料更為優越的抗疲勞特性，因此復合材料車身零部件之間連接處的可靠性與耐久性問題就顯得更為突出。荊楠指出CFRP車身零部件之間的連接形式多為粘接、機械連接（鉚接、螺栓連接等）及混合連接，范喜龍等人分析復合材料的類型、粘接部位的表面處理、表面積、膠的厚度、打孔的位置、孔的數量、打孔的方法等因素對于連接強度及失效機理有重要影響。然而面向復雜工況的車用CFRP零部件連接強度及失效機理的研究還鮮見報道。另外，Deng、Li及段元欣等人分別對預緊力齒、榫卯連接與干涉配合等新型復合材料連接形式的特征進行探究，但其如何在車身結構中的有效應用還未見相關報道。

2.3CFRP車身及零部件耐撞性仿真分析

Liu及Barnes等人在研究中指出CFRP車身耐撞性仿真分析需要采取“積木式”的方法，進行“材料（結構元件）一零部件一子總成一全尺寸車身”4個層次（參見圖5）的漸進式研究，

不同類型的CFRP表現出不同的應變率相關的力學性質，總體來說，在大應變率沖擊載荷作用下材料表現出復雜的失效與吸能機理（碎裂、分層、纖維拔出、局部屈曲等），其車身結構有限元模型遠比金屬材料車身復雜，因此目前國內外學者僅針對材料層面以及零部件層面的低速碰撞上況開展了較為全面的研究，而CFRP車身結構件、子總成及整車結構的中、高速碰撞仿真分析還未見相關報道。

2.3.1CFRP的動態本構模型

通過對一定應變率范圍內的復合材料樣件進行壓縮實驗，是建立CFRP動態本構模型的基本方法。Meunier及Park等人分別基于高階剪切變形理論與多尺度方法對應變率與動態本構模型的關系進行表征，但是都沒能將統計學特性有效的涵蓋進去，這是亟需解決的科學問題。

2.3.2大應變率沖擊載荷下CFRP的強度理論及失效機理

目前，國內外已建立十幾種復合材料宏、細觀強度理論模型，其中比較具有代表性的有強度相互影響破壞理論（宏觀，Tsai，Hashin）、統計預測破壞理論（宏觀，Uemura）、三維唯象理論（宏觀，Puck）、最大應力破壞理論（宏觀，Zinoviev）和橋聯細觀力學理論（細觀，Huang）。黃爭鳴等人總結發現，在目前的碰撞仿真分析中，采用的基于上述強度理論建立的材料損傷模型包括：漸進損傷模型、連續損傷模、多尺度模型及唯象學模型等。事實上，由現存強度理論建立起來的材料損傷模型在碰撞仿真分析中存在以下突出問題：（1）沒有辦法預測碰撞前沿后部支撐結構的失效;（2）碰撞中大壓縮應變出現時計算模型容易出錯;（3）針對一種復合材料建立的強度理論及材料失效模型，難以拓展到其他種類的復合材料中。因此，突破大應變率沖擊載荷下CFRP的強度理論及材料損傷模型等科學問題，是實現CFRP車身結構及零部件耐撞性仿真分析的關鍵。

2.3.3有限元模型的建立與計算方法

Johnson等人指出，當前在碰撞仿真的研究中多采用殼單元、多層殼單元及多層固體單元等有限元建模方式。殼單元在碰撞分析中不能模擬碰撞前沿的物理機制;多層殼單元之間的裂紋傳播模擬容易失真;多層固體單元具有仿真碰撞界面物理現象的潛力，然而需要一些經驗參數。仿真過程中積分點的定義、算法的選擇對計算精度、效率有著直接的影響。碰撞分析中粘接、機械連接等連接形式的處理，接觸的定義均對仿真結果可靠性有巨大影響。因此需根據不同的碰撞工況（正碰、側碰、后碰、柱碰、滾翻等），探索最佳的整車結構及零部件有限元建模方法，配合高效的顯示積分數值計算方法，是實現CFRP整車結構及零部件耐撞性仿真分析的關鍵。

3結論

碳纖維復合材料（CFRP）在汽車，尤其是電動汽車車身結構上的系統應用是汽車工業的發展趨勢，而目前國內外尚欠缺完善的相關產品設計開發行業標準。本文以CFRP車身及零部件的結構設計與性能仿真作為研究對象，對國內外的研究進展進行了介紹，并對目前存在的問題以及未來的研究方向進行了分析與展望，具體包括：

（1）CFRP具有各向異性的力學特性，其結構具有設計空間大的特點，目前國內缺乏CFRP車身及零部件的有效結構設計方法。通過對各向異性材料連續體結構拓撲優化方法及復合材料分級式優化設計策略的研究，開發整體結構層面與復合材料層面的雙層架構多尺度優化設計方法，進而建立多組分材料多工況下CFRP結構的材料一結構一性能一體化設計方法，是實現CFRP車身結構及零部件低成本高效率結構設計的重要技術保障。

（2）計算機仿真技術是實現CFRP車身結構及零部件性能評價的基礎，CFRP本身力學特性的復雜性造成了目前車用CFRP結構在基本力學性能、NVH與耐久性，以及耐撞性仿真分析時存在精度不高、效率低下等問題。通過對以下科學問題以及技術的攻關有望在未來實現車用CFRP結構仿真分析技術的完善：1）基本力學性能方面一開展參數化的建模方法實現一類CFRP的統一建模;2）NVH方面一明確各類CFRP的阻尼特性以及聲振特性，耐久性方面一明確面向復雜工況的車用CFRP零部件連接強度及失效機理，建立各類CFRP及其典型結構的疲勞預測模型;3）耐撞性方面一建立各類CFRP考慮統計學特性與多尺度效應的動態本構模型，突破大應變率沖擊載荷下CFRP的強度理論及材料損傷模型，根據不同的碰撞工況探索最佳的整車結構及零部件有限元建模及數值計算方法。

通過對車用CFRP結構在設計開發中的結構設計與性能仿真技術的深入研究，才能從根本上解決新材料在汽車車身上的系統應用問題，推動我國汽車工業的輕量化進程，實現新能源汽車的產業化。