碳纤维复合材料顶盖前横梁设计概述

李红 夏天 吴德凤 刘莹

近年来，由于世界各国对节能环保的要求越来越高，汽车轻量化也成为汽车行业发展的重要课题。

当前，汽车轻量化的主要措施涉及新材料、新工艺和先进的结构设计及与优化技术3个方面[1]。由于钢制汽车结构设计经历了上百年的经验积累，通过结构优化进行减重的空间已十分有限。因此新材料和新工艺对于汽车轻量化的意义尤为重要。碳纤维作为一种高强度高模量的先进结构材料开始逐步进入汽车轻量化领域。碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、可设计性好等特点，与传统钢制车身相比可减重一半以上，而且能够最大限度保证车辆在发生碰撞时车内人员的安全性[2]。

1 碳纤维复合材料在汽车上的应用现状

近些年，碳纤维复合材料已在量产车型上批量应用。作为燃油车应用碳纤维复合材料的代表企业，宝马（BMW）汽车在2015年欧洲车身会议上发布的第6代7系车身，主要在乘员舱部位应用碳纤维复合材料，用来加强车身结构，减轻车身质量的同时提高了碰撞安全性。BMW 7系的白车身包含16个碳纤维零部件，应用4种技术（如图1）。顶盖前横梁、中通道上盖板和门槛等零件应用湿法模压技术，衣帽架加强件和C柱加强板应用片装模塑料模压成型技術，A上柱加强件等零件应用高压树脂传递模塑成型技术，B柱处应用碳钢混合结构。并且，第6代BMW 7系的白车身所用的碳纤维原料均来源于可再生资源[3]。2017年欧洲车身年会发布的报告显示，奥迪A8车型应用了碳纤维复合材料后隔板，减重达50%；雷克萨斯LC车型采用碳纤维增强复合材料制造顶盖，使汽车达到轻量化目的的同时增加了整车外观性。沃尔沃汽车集团在2019年欧洲车身年会发布的报告显示，极星（Polestar）1车型采用了碳纤维增强复合材料制造整个乘员舱，风挡横梁、顶盖横梁、A柱外板、C柱、底板前横梁上板等结构件以及侧围外板、发罩外板、行李箱盖外板等外覆盖件均使用了碳纤维复合材料。雷克萨斯LC和Polestar1是轿跑车，这2款车型的选材和设计与常见的车型有差异。对于规模化生产的汽车零部件来说，需要兼顾性能、成本等多方面的因素，因而混合材料车身成为乘用车发展的一个重要方向。利用碳纤维复合材料高模量等特点，对车身钣金件进行补强设计，已成为行业的共识。

随着碳纤维复合材料在汽车上应用的拓展，国内很多汽车生产厂家也开展了碳纤维零件的设计研究。中国第一汽车集团有限公司（以下简称“一汽”）很早就开展了碳纤维复合材料的应用技术研究工作，其在红旗H7车型的开发中，在发动机罩盖和行李箱盖上进行过钢、铝和碳纤维的多方案研究与开发，前后盖由碳纤维和玻璃纤维复合材料制成，应用热固基体，采用热压罐工艺进行了零件试制。与钢板结构相比，发动机罩盖降重达13kg，行李箱盖降重4.4kg。

一汽在“小型乘用车轻量化技术研究”的课题研究中，于B30的电动车平台开展了碳纤维乘员舱的研究与开发，在车身的结构设计、CAE（计算机辅助设计）分析与仿真、车身的性能试验和碰撞安全方面进行了大量的研究工作，试制了2辆样车并进行了部分整车的试验[4]。

2018（第六届）中国轻量化车身会议上，有2款参展车型应用了碳纤维复合材料零件。北汽新能源汽车LITE车型的上车体采用碳纤维一体化设计，其碳纤维应用量为13.1%，并集成原碳纤维顶盖和铝合金框架，实现整体减重35%；此外，前防撞梁本体、后地板、后尾板、玻璃升降器支架也采用了碳纤维复合材料。前防撞梁本体和玻璃升降支架应用湿法模压技术，后地板应用HP—RTM（高压树脂传递模塑成型）技术，顶盖、后地板和铝合金车身采用“胶结+铆接”的连接形式，前防撞梁与铝合金吸能盒采用“胶结+螺栓”的连接形式。前途汽车K50车型利用碳纤维复合材料零件可集成模块化设计的特点，除前后保险杠和侧裙这些易损件之外，车身外覆盖件均由碳纤维材料制作，集成设计应用了29个碳纤维复合材料零部件，主要有车门外板、侧围外板、顶盖外板、发动机罩外板等外覆盖件，相比钢减重总计达40%以上。

2020年3月20日，长安汽车首款碳纤维—铝合金混合结构车身正式成功试制下线。研发团队突破了碳纤维车身模块化设计，实现车身零件由300余件减少到40余件，突破了快速成型工艺技术瓶颈，使效率提升50%以上。

另外上汽集团、吉利汽车、奇瑞汽车股份有限公司等多家主机厂也在开展相关碳纤维零件的应用工作。目前，我国已基本具备设计、制造碳纤维复合材料汽车产品的能力。但在选材、设计和成形工艺等方面缺乏经验及数据积累，汽车碳纤维零件的应用还处于起步阶段，有较大进步空间。

2 碳纤维复合材料零件设计思路

本文选取了某车型的顶盖前横梁开展碳纤维复合材料应用设计工作。车身顶盖前横梁一般位于车身前部上端，在前风挡玻璃对上边界处，上车身顶部结构的第一根横梁。就车身本体而言，顶盖前横梁结构连接着侧围上边梁（A柱部分）、顶盖本体。具体位置如图2所示，红色和绿色件。

顶盖前横梁结构是车身结构中的关键件之一，其上布置有饰件（如顶棚、遮阳板等）；电器（阅读灯等）；车身附件（前风挡等）。

顶盖前横梁原设计为钢板零件，并且由于焊接层级顺序的原因将此横梁拆分为3个部分（见图3）。碳纤维零件设计灵活、密度低，能大幅度减轻零件质量，因此将此3部分合并为一个碳纤维复合材料零件进行设计。碳纤维复合材料与钢板的特性不同，因而结构设计和制造工艺也完全不同。

钢制顶盖前横梁采用B280VK材料，材料出厂时就已经确定其力学性能，零件制作采取对应的冷冲压工艺。而碳纤维复合材料无法采用现有的设计与冲压工艺，因此本文围绕碳纤维复合材料零件设计开展研究工作，并且需实现零件减重50%的目标。