碳纖維復(fù)合材料頂蓋前橫梁設(shè)計(jì)概述

李紅 夏天 吳德鳳 劉瑩

近年來(lái)，由于世界各國(guó)對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求越來(lái)越高，汽車輕量化也成為汽車行業(yè)發(fā)展的重要課題。

當(dāng)前，汽車輕量化的主要措施涉及新材料、新工藝和先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及與優(yōu)化技術(shù)3個(gè)方面[1]。由于鋼制汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了上百年的經(jīng)驗(yàn)積累，通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行減重的空間已十分有限。因此新材料和新工藝對(duì)于汽車輕量化的意義尤為重要。碳纖維作為一種高強(qiáng)度高模量的先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料開(kāi)始逐步進(jìn)入汽車輕量化領(lǐng)域。碳纖維復(fù)合材料具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好等特點(diǎn)，與傳統(tǒng)鋼制車身相比可減重一半以上，而且能夠最大限度保證車輛在發(fā)生碰撞時(shí)車內(nèi)人員的安全性[2]。

1 碳纖維復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用現(xiàn)狀

近些年，碳纖維復(fù)合材料已在量產(chǎn)車型上批量應(yīng)用。作為燃油車應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料的代表企業(yè)，寶馬（BMW）汽車在2015年歐洲車身會(huì)議上發(fā)布的第6代7系車身，主要在乘員艙部位應(yīng)用碳纖維復(fù)合材料，用來(lái)加強(qiáng)車身結(jié)構(gòu)，減輕車身質(zhì)量的同時(shí)提高了碰撞安全性。BMW 7系的白車身包含16個(gè)碳纖維零部件，應(yīng)用4種技術(shù)（如圖1）。頂蓋前橫梁、中通道上蓋板和門檻等零件應(yīng)用濕法模壓技術(shù)，衣帽架加強(qiáng)件和C柱加強(qiáng)板應(yīng)用片裝模塑料模壓成型技術(shù)，A上柱加強(qiáng)件等零件應(yīng)用高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)，B柱處應(yīng)用碳鋼混合結(jié)構(gòu)。并且，第6代BMW 7系的白車身所用的碳纖維原料均來(lái)源于可再生資源[3]。2017年歐洲車身年會(huì)發(fā)布的報(bào)告顯示，奧迪A8車型應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料后隔板，減重達(dá)50%；雷克薩斯LC車型采用碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造頂蓋，使汽車達(dá)到輕量化目的的同時(shí)增加了整車外觀性。沃爾沃汽車集團(tuán)在2019年歐洲車身年會(huì)發(fā)布的報(bào)告顯示，極星（Polestar）1車型采用了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制造整個(gè)乘員艙，風(fēng)擋橫梁、頂蓋橫梁、A柱外板、C柱、底板前橫梁上板等結(jié)構(gòu)件以及側(cè)圍外板、發(fā)罩外板、行李箱蓋外板等外覆蓋件均使用了碳纖維復(fù)合材料。雷克薩斯LC和Polestar1是轎跑車，這2款車型的選材和設(shè)計(jì)與常見(jiàn)的車型有差異。對(duì)于規(guī)模化生產(chǎn)的汽車零部件來(lái)說(shuō)，需要兼顧性能、成本等多方面的因素，因而混合材料車身成為乘用車發(fā)展的一個(gè)重要方向。利用碳纖維復(fù)合材料高模量等特點(diǎn)，對(duì)車身鈑金件進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)設(shè)計(jì)，已成為行業(yè)的共識(shí)。

隨著碳纖維復(fù)合材料在汽車上應(yīng)用的拓展，國(guó)內(nèi)很多汽車生產(chǎn)廠家也開(kāi)展了碳纖維零件的設(shè)計(jì)研究。中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“一汽”）很早就開(kāi)展了碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用技術(shù)研究工作，其在紅旗H7車型的開(kāi)發(fā)中，在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋和行李箱蓋上進(jìn)行過(guò)鋼、鋁和碳纖維的多方案研究與開(kāi)發(fā)，前后蓋由碳纖維和玻璃纖維復(fù)合材料制成，應(yīng)用熱固基體，采用熱壓罐工藝進(jìn)行了零件試制。與鋼板結(jié)構(gòu)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋降重達(dá)13kg，行李箱蓋降重4.4kg。

一汽在“小型乘用車輕量化技術(shù)研究”的課題研究中，于B30的電動(dòng)車平臺(tái)開(kāi)展了碳纖維乘員艙的研究與開(kāi)發(fā)，在車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、CAE（計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)）分析與仿真、車身的性能試驗(yàn)和碰撞安全方面進(jìn)行了大量的研究工作，試制了2輛樣車并進(jìn)行了部分整車的試驗(yàn)[4]。

2018（第六屆）中國(guó)輕量化車身會(huì)議上，有2款參展車型應(yīng)用了碳纖維復(fù)合材料零件。北汽新能源汽車LITE車型的上車體采用碳纖維一體化設(shè)計(jì)，其碳纖維應(yīng)用量為13.1%，并集成原碳纖維頂蓋和鋁合金框架，實(shí)現(xiàn)整體減重35%；此外，前防撞梁本體、后地板、后尾板、玻璃升降器支架也采用了碳纖維復(fù)合材料。前防撞梁本體和玻璃升降支架應(yīng)用濕法模壓技術(shù)，后地板應(yīng)用HP—RTM（高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型）技術(shù)，頂蓋、后地板和鋁合金車身采用“膠結(jié)+鉚接”的連接形式，前防撞梁與鋁合金吸能盒采用“膠結(jié)+螺栓”的連接形式。前途汽車K50車型利用碳纖維復(fù)合材料零件可集成模塊化設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，除前后保險(xiǎn)杠和側(cè)裙這些易損件之外，車身外覆蓋件均由碳纖維材料制作，集成設(shè)計(jì)應(yīng)用了29個(gè)碳纖維復(fù)合材料零部件，主要有車門外板、側(cè)圍外板、頂蓋外板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板等外覆蓋件，相比鋼減重總計(jì)達(dá)40%以上。

2020年3月20日，長(zhǎng)安汽車首款碳纖維—鋁合金混合結(jié)構(gòu)車身正式成功試制下線。研發(fā)團(tuán)隊(duì)突破了碳纖維車身模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車身零件由300余件減少到40余件，突破了快速成型工藝技術(shù)瓶頸，使效率提升50%以上。

另外上汽集團(tuán)、吉利汽車、奇瑞汽車股份有限公司等多家主機(jī)廠也在開(kāi)展相關(guān)碳纖維零件的應(yīng)用工作。目前，我國(guó)已基本具備設(shè)計(jì)、制造碳纖維復(fù)合材料汽車產(chǎn)品的能力。但在選材、設(shè)計(jì)和成形工藝等方面缺乏經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)積累，汽車碳纖維零件的應(yīng)用還處于起步階段，有較大進(jìn)步空間。

2 碳纖維復(fù)合材料零件設(shè)計(jì)思路

本文選取了某車型的頂蓋前橫梁開(kāi)展碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用設(shè)計(jì)工作。車身頂蓋前橫梁一般位于車身前部上端，在前風(fēng)擋玻璃對(duì)上邊界處，上車身頂部結(jié)構(gòu)的第一根橫梁。就車身本體而言，頂蓋前橫梁結(jié)構(gòu)連接著側(cè)圍上邊梁（A柱部分）、頂蓋本體。具體位置如圖2所示，紅色和綠色件。

頂蓋前橫梁結(jié)構(gòu)是車身結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵件之一，其上布置有飾件（如頂棚、遮陽(yáng)板等）；電器（閱讀燈等）；車身附件（前風(fēng)擋等）。

頂蓋前橫梁原設(shè)計(jì)為鋼板零件，并且由于焊接層級(jí)順序的原因?qū)⒋藱M梁拆分為3個(gè)部分（見(jiàn)圖3）。碳纖維零件設(shè)計(jì)靈活、密度低，能大幅度減輕零件質(zhì)量，因此將此3部分合并為一個(gè)碳纖維復(fù)合材料零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。碳纖維復(fù)合材料與鋼板的特性不同，因而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝也完全不同。

鋼制頂蓋前橫梁采用B280VK材料，材料出廠時(shí)就已經(jīng)確定其力學(xué)性能，零件制作采取對(duì)應(yīng)的冷沖壓工藝。而碳纖維復(fù)合材料無(wú)法采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)與沖壓工藝，因此本文圍繞碳纖維復(fù)合材料零件設(shè)計(jì)開(kāi)展研究工作，并且需實(shí)現(xiàn)零件減重50%的目標(biāo)。