中國首款采用復合材料的電動汽車白車身

【德】 Z.WANG M.K?FERB?CK 【中】 H.ZHAO H.CHEN

關鍵詞：電動車;復合材料;白車身

0 前言

研究人員通過采用纖維增強塑料（FVK）等復合材料，可減輕汽車質量，改善車體結構性能，并增加純電動汽車（BEV）的續航里程，因此該項舉措有著重要意義。為了在后續的生產過程中批量應用FVK 材料，研究人員需要對整個供應鏈進行開發。由于過去中國汽車市場對FVK等復合材料的需求較低，因此中國汽車制造商在該領域的開發投入與技術經驗也較為有限。

在EadoET車型的開發過程中，長安汽車公司的研究人員已開始應用結構性FVK材料，并加速建立了中國獨有的高強度FVK 材料供應鏈。為了實現項目的預期開發目標，研究人員使EadoET 車型充分滿足了中國新車碰撞測試（NCAP）標準，并獲得了最高的五星級評價。相比由鋼材制成的長安Eado車型，研究人員需要使新款EadoET 車型的質量減輕30%。為實現上述開發目標，研究人員為EadoET 車型選用了以FVK為主的復合材料和以集成式結構件為主的設計方案。為了迅速完成后續的設計任務，研究人員必須選擇1種可通過模擬方式以加快開發進程的方法。

1 用于白車身的復合材料方案

EadoET車型的整個白車身與車門及罩蓋共有2種不同的模式：其座艙結構主要由碳纖維增強塑料（CFK）組成，局部采用了高強度鋼和超高強度鋼進行增強，而底部車架則僅使用了鋁合金（圖1）。這種結構方式使得長安汽車公司的研究人員一方面能將鋁合金框架用于公共車型平臺，另一方面也能通過鋁合金材料來保護蓄電池外殼、驅動裝置及其他底盤部件。

研究人員通過設計優化，使前車體和后車體在碰撞時能充分吸收能量，而鋁合金良好的碰撞特性使車體能充分吸收碰撞時所產生的峰值能量，并根據設計方案將負荷傳導到輔助結構中。為了保護乘客，座艙需要白車身在變形量較小的情況下具有較高的剛度。在該方面，碳纖維以其出色的強度和剛度特性，具有明顯的優勢。特別是在高負荷區域中，這種纖維材料能充分發揮優勢。在車輛發生側面碰撞的情況下，車輛結構必須防止被障礙物穿透，并能安全可靠地吸收碰撞能量，同時仍應保持結構的完整性。由于需要充分吸收碰撞產生的峰值能量，而CFK 材料自身質地較脆，因此并不適用于該場合。研究人員選擇的由鋼材與CFK材料組成的復合材料則能充分滿足上述目標。這種復合材料被稱為鋼芯，并且可被集成在側面框架中，以組合2種材料的優點。

這種鋼芯可用于制造B柱，并可用于增強車頂框架、A 柱和側面車門等區域。同時，該類材料適用于吸收碰撞能量，能在狹窄空間結構中將能量傳導到周圍結構中。

如果研究人員只選用CFK材料來制造車身，會使方案成本過高，因此底部鋁合金車架必須具有較高的剛性，并且前部側面框架必須進行重新設計。上述變化將導致現有座椅安全帶的配置和附件的裝飾件無法應用至新款車型中。

2 以FVK 材料為主的座艙、車門和罩蓋

在大多數情況下，座艙、4個車門和前后2個罩蓋是由FVK材料制成的。為了優化FVK 材料的供應鏈，研究人員優先選擇了一系列可在當地生產的材料和工藝技術，并將其用于以FVK 材料為主的車身結構中。在開發過程中，研究人員根據用于制造各類構件的大批量生產工藝，對其進行了設計優化。通過采用真空輔助樹脂灌注（VARI）技術，研究人員實現了快速且低成本的制造過程。圖2示出了纖維復合材料構件。

3 通過集成方案以減少構件數量

廣泛使用FVK 材料不僅可使汽車結構實現輕量化，而且還能提高集成度。由于減少了構件和連接部件的數量，研究人員僅通過粘接和簡單的密封過程，就能使由FVK 材料制成的座艙具有多種多樣的功能。例如，整車的地板結構（圖3）由2種集成式構件組成，即前車地板和后車地板。研究人員替換了前車地板上的12塊金屬構件，使其質量減輕了50%以上，替換后的前車地板質量僅為7.8kg，同時優化了其幾何形狀和纖維走向。通過采用單向纖維，研究人員在縱向上對中間底槽予以加強，改善了正面碰撞時座艙的穩定性，提高了其整體抗彎強度。后車地板的情況與此相似，研究人員以FVK 材料替換了6塊金屬構件，同樣使其質量減輕了50%以上，替換后的后車地板質量僅為5.9kg。此外，第2排座位的橫向結構得到了局部增強，改善了整個白車身的抗扭曲剛度。

如上文所述，研究人員選用了許多能有效節省成本的集成構件，明顯減少了整車構件數量。在相關設計方案中，以FVK材料為主的白車身從原鋼制白車身的577多個構件中僅沿用了159個。其余的418個鋼構件被100個CFK 材料構件、鋼芯及鋁車架所替代，從而使新款白車身的總質量從469kg降至322kg，減輕了30%以上。

4 通過計算機模擬以加快開發進程

研究人員通過量身定制設計方案，并采用了模塊化原理，成功開發了該款車身。在開發構件的同時，研究人員必須平行制定基于計算機輔助工程（CAE）的模擬過程，以此檢驗材料的運用效果及其清單的正確性。

由于項目開發時間較為緊湊，并且需要10余種不同的材料清單。從工程初期階段，研究人員就將相似材料歸納成組，并將預先確定的制造工藝和纖維體積含量作為分類的標準。同時，研究人員考慮到工藝的變化，在確保精度的情況下減少了試驗材料的數量。隨后，研究人員分析了白車身中不同區域的負荷狀況，以便對每種構件材料清單的要求進行評價。這種分類和評級就是用于顯示模塊化表征材料特性的最佳方法（圖4）。基于這種開發策略，材料清單完整地描述了碰撞區域的材料特性（1A、2A 和2B等級），對于少數關鍵的材料清單而言，其主要遵循材料失效后的特性，并減少了試驗費用（僅試驗1A 等級或1A+2A 等級）。

為了制定材料清單，研究人員進行了大量計算和硬件試驗，從項目初期僅對部件開展試驗，到后期對整車進行試驗，以改善車輛在不同負荷狀況下的運行品質。這些試驗研究的重點主要在于吸收碰撞負荷的區域。研究人員提出了模塊化原理（圖5）及逐步逼近法，不僅能降低開發成本，而且能通過試驗以確保其有效性，并能基于不同的試驗等級而得到關鍵的數據。

5 在中國NCAP碰撞試驗中獲得的五星級評價

為了進一步優化系統功能，長安汽車公司的研究人員開展了硬件試驗。根據試驗結果，試驗樣車可滿足目前業界對車身強度和剛度的要求，同時也能滿足中國NCAP2018五星級碰撞試驗評價所需要的規定。這些試驗包括全覆蓋正面碰撞、基于偏移可變形障礙物的ODB碰撞、基于移動可變形障礙物的MDB碰撞等方面。根據相關結果表明，FEM 模擬和碰撞試驗存在良好的相關關系，兩者間的最大偏差約6%。

正如結構設計方案所示，在ODB碰撞試驗期間，鋁車架吸收了主要的能量，由FVK材料制成的客艙具有足夠的剛度，并且能使鋁結構在原有位置上保持不變，因此能有效地緩解駕駛室前圍板的變形，使客艙能保持結構上的完整性，同時使峰值加速度低于35G。經研究人員確認的材料清單具有較高的可靠性，因此試驗曲線與FEM 模擬結果也具有良好的相關關系（圖6）。在車輛與堅硬障礙物發生正面碰撞的情況下，研究人員可觀察到相似的結果。與ODB負荷狀況相比，上述碰撞情況較少處于臨界狀態。

由于車門結構中的鋼芯復合材料方案和其余鋼結構的存在，車輛能吸收MDB碰撞能量，使其變形能保持在容許限度范圍內，并能保持一定的結構完整性。模擬過程能精確地預測前后車門框范圍內的主要損傷，參與模擬與試驗的點數差別主要集中于后車門上部范圍。研究人員用假人參與了碰撞試驗，并呈現出比模擬過程更強烈的壓縮效果。研究人員還進行了一些后續的碰撞分析，以便對碰撞原因進行詳細分析，同時擬定優化建議。研究人員期望后續在中國汽車技術研究中心（Catarc）開展的試驗能具有更好的一致性。

6 結語和展望

目前，所有項目的進度都能滿足預期的時間要求。長安汽車公司EadoET車型的白車身主要由FVK 等復合材料構成，這種高度集成的結構使整個白車身的質量從469kg減輕到322kg。相比原鋼制車身，新款白車身的質量減輕了30% 以上。按照中國NCAP2018標準的規定，驗證人員已確認長安汽車公司的EadoET車型達到了五星級水平。

目前，就FVK這類材料而言，用戶能在中國獲取品質精良的構件，并學習到日趨完善的生產技術，充分滿足了該項目的預期目標。以該項目為例，中國的復合材料產業鏈已有了進一步完善，并在很大程度上能用作于后續批量生產過程的基礎。2020年底，長安汽車公司已向中國汽車技術研究中心提交了1組樣車，以進行后續的碰撞試驗認證。同時，長安汽車公司已將該類復合材料的結構設計方案用于其旗下車型的批量生產。