纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域的研究應(yīng)用

李 磊

（中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川成都 610000）

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展及城市化的推進(jìn)，汽車數(shù)量的急劇增多對(duì)生態(tài)、資源造成了較大影響，節(jié)能減排、綠色環(huán)保成為目前發(fā)展的主題。統(tǒng)計(jì)表明，汽車質(zhì)量每降低10%，燃油效率可提高6%～8%，汽車輕量化技術(shù)是汽車節(jié)能減排的重要手段之一[1]。近幾年，連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（以下簡(jiǎn)稱纖維復(fù)合材料）因其具有質(zhì)量輕、降噪減振、高強(qiáng)度、耐腐蝕等特點(diǎn)，在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。汽車輕量化效果依賴材料、結(jié)構(gòu)和工藝等方面，針對(duì)纖維復(fù)合材料構(gòu)件，可通過(guò)采用比強(qiáng)度、比模量、比吸能更高的材料體系，減少材料的使用，采用先進(jìn)的制造工藝，包括激光焊接、液壓成型等[2]，實(shí)現(xiàn)其輕量化的目標(biāo)。

1 汽車領(lǐng)域節(jié)能要求與輕量化材料

針對(duì)汽車領(lǐng)域，較多國(guó)家制定了關(guān)于燃料消耗及CO2排放的嚴(yán)格規(guī)定。2020年，我國(guó)乘用車的平均燃料消耗量應(yīng)為50 mL/km；2025年，乘用車（含新能源乘用車）新車油耗須降至40 mL/km，須進(jìn)行輕量化技術(shù)研究。汽車領(lǐng)域中目前采用的輕質(zhì)材料多為金屬材料，如高強(qiáng)度鋼、鋁合金、鎂合金、鈦合金等，高強(qiáng)度鋼吸能性好、強(qiáng)度高，鋼種的延伸率隨強(qiáng)度增高而下降。鋁合金密度約為鋼的30%，鑄造鋁合金具有熔點(diǎn)低、流動(dòng)性能良好等特征，變形鋁合金具有強(qiáng)度高、塑性好、熱導(dǎo)率高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，鋁合金拉延性較差，在焊接時(shí)易出現(xiàn)氣孔、氧化物夾雜。撞擊變形后，整形技術(shù)、表面處理噴漆技術(shù)難度大。鎂的密度為鋁的60%，具有吸震性能強(qiáng)、鑄造性能好等特征，鎂合金存在易氧化燃燒、強(qiáng)度低、塑性及耐蝕性較差等缺點(diǎn)[3]。鈦合金具有質(zhì)量輕、密度低、比強(qiáng)度高、耐蝕性好、耐高溫、低溫柔韌性好等優(yōu)勢(shì)，但成本較高、焊接性能差。纖維復(fù)合材料具有比強(qiáng)度、比模量高、密度小、質(zhì)量輕、安全等級(jí)高等特點(diǎn)。

2 纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域的應(yīng)用

1942年，美國(guó)某公司成功研制了玻璃鋼，其他國(guó)家也相繼制造了性能更優(yōu)的復(fù)合材料，如碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料、纖維增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料、陶瓷基復(fù)合材料等，并將其廣泛應(yīng)用在汽車的制動(dòng)盤(pán)、活塞和驅(qū)動(dòng)軸等零部件上。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（CFRP）的強(qiáng)度為碳鋼的3倍、鋁合金的4倍。在同等強(qiáng)度下，CFRP的質(zhì)量為鋼的25%、鋁合金的50%，使CFRP車身比鋼質(zhì)車身輕50%以上，比鋁質(zhì)車身輕約30%。碳纖維復(fù)合材料的耐腐蝕、耐高溫、熱力學(xué)性能好，可提升汽車的應(yīng)用性能，成為汽車輕量化領(lǐng)域的主要研究對(duì)象。其他復(fù)合材料，如陶瓷基、金屬基復(fù)合材料等，其耐磨性、耐熱性更優(yōu)，適合制造汽車易磨損零件、耐熱零件[4]。

纖維復(fù)合材料雖性能優(yōu)異，但難降解回收且成本較高。應(yīng)用高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型技術(shù)、真空袋壓成型工藝、真空導(dǎo)入模塑成型工藝、熱氣壓成型技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，可提高纖維復(fù)合材料的生產(chǎn)效率、降低成本。寶馬是引領(lǐng)CFRP進(jìn)入大眾化汽車領(lǐng)域的先行者，寶馬7系采用CFRP與高強(qiáng)度鋼、鋁材結(jié)合制作車身材料。豐田、大眾、奔馳、現(xiàn)代等多家汽車制造商均在開(kāi)發(fā)汽車輕量化過(guò)程中使用了纖維復(fù)合材料。奧迪A8轎車的后圍結(jié)構(gòu)使用了CFRP，減重超過(guò)50%；上汽通用五菱某款車型的發(fā)動(dòng)機(jī)裝飾蓋使用了聚丙烯長(zhǎng)玻纖材料，減重超過(guò)20%；寧波材料所與奇瑞汽車聯(lián)合研制的插電式混合動(dòng)力車型的車身使用了CFRP，減重超過(guò)40%[5]。

3 纖維復(fù)合材料在汽車輕量化領(lǐng)域中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

與金屬材料相比，纖維復(fù)合材料柔韌性好、易加工、具有明顯的各向異性，因此，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更靈活多變，可充分發(fā)揮材料的承載能力，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

3.1 夾層結(jié)構(gòu)

夾層結(jié)構(gòu)由上下兩塊薄而強(qiáng)的面板、輕質(zhì)芯材組成，芯材形式有泡沫、蜂窩、波紋等。在汽車工業(yè)中，復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)應(yīng)用較為廣泛，主要用于車身外蒙皮、保險(xiǎn)杠、座椅、車門(mén)等處，且具有良好的使用效果。

3.2 尺寸和形狀優(yōu)化

尺寸優(yōu)化指在保證構(gòu)件性能的同時(shí)，對(duì)該構(gòu)件的截面面積及厚度等進(jìn)行優(yōu)化。由于需要將數(shù)學(xué)模型和與有限元軟件相結(jié)合，且計(jì)算機(jī)發(fā)展迅速，因此，尺寸優(yōu)化的過(guò)程較簡(jiǎn)便快速，結(jié)果更精確。形狀優(yōu)化的情況可分為規(guī)則和不規(guī)則構(gòu)件，針對(duì)汽車上少數(shù)的規(guī)則構(gòu)件，可將形狀優(yōu)化作為尺寸優(yōu)化；針對(duì)大部分不規(guī)則零部件，進(jìn)行無(wú)參數(shù)的形狀優(yōu)化。形貌優(yōu)化是形狀優(yōu)化的高級(jí)形式，主要用于薄板型構(gòu)件，是優(yōu)化加強(qiáng)筋分布的設(shè)計(jì)方法，使構(gòu)件符合頻率和剛度要求[6]。

3.3 拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)可分為連續(xù)型結(jié)構(gòu)、離散型結(jié)構(gòu)。離散結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化常用于桁架、鋼架、加強(qiáng)筋板等骨架結(jié)構(gòu)及其組合的分析優(yōu)化；連續(xù)體結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可解決二維板殼、三維實(shí)體的優(yōu)化問(wèn)題。拓?fù)鋬?yōu)化應(yīng)先確定設(shè)計(jì)區(qū)域，以不影響其他零部件為目標(biāo)，再建立目標(biāo)函數(shù)，優(yōu)化材料布局、性能。相較于其他結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，拓?fù)鋬?yōu)化可提高設(shè)計(jì)生產(chǎn)效率，減少開(kāi)發(fā)和驗(yàn)證時(shí)間，降低經(jīng)濟(jì)成本。其主要方法包括均勻化法、人工密度法、進(jìn)化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法、水平集法、漸進(jìn)均勻化法等。結(jié)構(gòu)優(yōu)化的求解方法中，智能算法雖計(jì)算量大但易實(shí)施，主要包括基因遺傳算法、蟻群算法、模擬退火法、粒子群算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化算法等[7]。汽車輕量化領(lǐng)域中拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化的發(fā)展和應(yīng)用，可主要針對(duì)算法，如遺傳算法、量子行為粒子群算法等，拓?fù)鋬?yōu)化可與其他結(jié)構(gòu)優(yōu)化相結(jié)合，且多目標(biāo)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化可參考實(shí)際已成功驗(yàn)證的參數(shù)，并采用如層次分析法、折衷規(guī)劃法、線性加權(quán)法等方法計(jì)算系數(shù)，以達(dá)到更好的效果。

3.4 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化，可有效協(xié)調(diào)復(fù)雜系統(tǒng)的各子系統(tǒng)，以達(dá)到整體最優(yōu)，其算法分為多級(jí)分布式、單級(jí)整體式、協(xié)同優(yōu)化算法、目標(biāo)分流法。單級(jí)整體式相對(duì)簡(jiǎn)單，但很難在實(shí)際中應(yīng)用；多級(jí)分布式應(yīng)用廣泛；協(xié)同優(yōu)化算法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、子系統(tǒng)自主性高等優(yōu)點(diǎn)，相關(guān)的研究較多且應(yīng)用范圍較廣；目標(biāo)分流法具有提升設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)難度等優(yōu)點(diǎn)，在汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)中將有更廣泛應(yīng)用。目前結(jié)構(gòu)優(yōu)化未發(fā)展完善，在實(shí)際應(yīng)用中存在較多問(wèn)題，如數(shù)值計(jì)算不穩(wěn)定、網(wǎng)格依賴性強(qiáng)、計(jì)算量過(guò)大等。纖維復(fù)合材料具有復(fù)雜的微結(jié)構(gòu)，難以對(duì)其進(jìn)行仿真分析，其構(gòu)件在應(yīng)用時(shí)易出現(xiàn)不可預(yù)測(cè)的缺陷?？蓪?duì)纖維層進(jìn)行建模，以提高其可靠性，采用平行處理的方法，加快運(yùn)算速度，并不斷對(duì)其進(jìn)行完善。

4 汽車領(lǐng)域纖維復(fù)合材料成型工藝

4.1 傳統(tǒng)成型技術(shù)

模壓成型工藝歷史悠久，在汽車領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，其適用于生產(chǎn)大型異形件，且生產(chǎn)率較高，成品尺寸精度較高、表面質(zhì)量較好，但其成型周期時(shí)間較長(zhǎng)，內(nèi)部孔隙率較高，僅用于制作非結(jié)構(gòu)件[8]。熱壓罐工藝具有制件加工靈活等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的整體成型，減少連接件的使用，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，但其具有采用的熱壓罐體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、投資成本高、消耗能源多等不足，限制了應(yīng)用范圍[6]。拉擠成型工藝的優(yōu)點(diǎn)具有生產(chǎn)效率高、可連續(xù)成型、自動(dòng)化程度高、制造成本低、制品質(zhì)量穩(wěn)定、外觀平滑等優(yōu)勢(shì)，可用于保險(xiǎn)杠橫梁、門(mén)防護(hù)梁、頂梁等零部件的制造。纖維纏繞成型技術(shù)的自動(dòng)化程度高、生產(chǎn)周期較小、生產(chǎn)效率高，是生產(chǎn)傳動(dòng)軸、儲(chǔ)氣瓶等回轉(zhuǎn)零件的主要方法。液體成型工藝與熱壓罐成型相比，可節(jié)省預(yù)浸料加工、預(yù)浸料低溫儲(chǔ)存、使用昂貴的熱壓罐工藝過(guò)程，是成本較低的工藝。

4.2 新型成型技術(shù)

高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝、真空導(dǎo)入模塑成型工藝是傳統(tǒng)液體成型工藝的新型優(yōu)化工藝。高壓樹(shù)脂傳遞模塑成型工藝，提高了生產(chǎn)速度、效率，可實(shí)現(xiàn)纖維復(fù)合材料的高效規(guī)?；a(chǎn)。真空導(dǎo)入模塑成型工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，制品尺寸和形狀不受限制，生產(chǎn)成本更低，滿足大規(guī)模生產(chǎn)要求，可用于汽車車頂、擋風(fēng)板等零部件的制造。真空袋壓成型工藝在滿足制造要求的同時(shí)，避免了使用昂貴的熱壓罐，減少了構(gòu)件的成本。熱氣壓成型工藝與傳統(tǒng)模壓成型技術(shù)比，可通過(guò)氣體擠壓材料，只需通過(guò)單模便可生產(chǎn)構(gòu)件，有效降低了生產(chǎn)成本，可避免模具間的剛性接觸，使構(gòu)件表面質(zhì)量更好、受力均勻。為了更好地達(dá)到輕量化目標(biāo)，需要綜合每種成型方法的優(yōu)缺點(diǎn)，合理選擇成型工藝。

5 結(jié)語(yǔ)

汽車輕量化領(lǐng)域中輕量化材料和結(jié)構(gòu)優(yōu)化已取得良好效果，應(yīng)用日趨廣泛，可將材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、工藝等多方面相結(jié)合，綜合系統(tǒng)地研究和應(yīng)用。纖維復(fù)合材料質(zhì)量輕、降噪減振、高強(qiáng)度、耐腐蝕，在汽車輕量化領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，應(yīng)不斷提高纖維復(fù)合材料的性能，降低其成本。纖維復(fù)合材料柔韌性好、易加工，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更靈活多變。通過(guò)分級(jí)優(yōu)化、基因遺傳算法、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能優(yōu)化設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮纖維復(fù)合材料力學(xué)性能優(yōu)勢(shì)。纖維復(fù)合材料目前采用較多的制備工藝，包括模壓成型工藝、拉擠成型工藝和液體成型工藝等，以熱氣壓成型工藝為代表的新型成型技術(shù)將在大規(guī)模、高質(zhì)量、高效率的構(gòu)件生產(chǎn)中起到關(guān)鍵作用。