纤维复合材料在汽车轻量化领域的研究应用

李 磊

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610000）

随着经济的不断发展及城市化的推进，汽车数量的急剧增多对生态、资源造成了较大影响，节能减排、绿色环保成为目前发展的主题。统计表明，汽车质量每降低10%，燃油效率可提高6%～8%，汽车轻量化技术是汽车节能减排的重要手段之一[1]。近几年，连续纤维增强复合材料（以下简称纤维复合材料）因其具有质量轻、降噪减振、高强度、耐腐蚀等特点，在汽车领域得到了广泛应用。汽车轻量化效果依赖材料、结构和工艺等方面，针对纤维复合材料构件，可通过采用比强度、比模量、比吸能更高的材料体系，减少材料的使用，采用先进的制造工艺，包括激光焊接、液压成型等[2]，实现其轻量化的目标。

1 汽车领域节能要求与轻量化材料

针对汽车领域，较多国家制定了关于燃料消耗及CO2排放的严格规定。2020年，我国乘用车的平均燃料消耗量应为50 mL/km；2025年，乘用车（含新能源乘用车）新车油耗须降至40 mL/km，须进行轻量化技术研究。汽车领域中目前采用的轻质材料多为金属材料，如高强度钢、铝合金、镁合金、钛合金等，高强度钢吸能性好、强度高，钢种的延伸率随强度增高而下降。铝合金密度约为钢的30%，铸造铝合金具有熔点低、流动性能良好等特征，变形铝合金具有强度高、塑性好、热导率高、耐腐蚀等优点，铝合金拉延性较差，在焊接时易出现气孔、氧化物夹杂。撞击变形后，整形技术、表面处理喷漆技术难度大。镁的密度为铝的60%，具有吸震性能强、铸造性能好等特征，镁合金存在易氧化燃烧、强度低、塑性及耐蚀性较差等缺点[3]。钛合金具有质量轻、密度低、比强度高、耐蚀性好、耐高温、低温柔韧性好等优势，但成本较高、焊接性能差。纤维复合材料具有比强度、比模量高、密度小、质量轻、安全等级高等特点。

2 纤维复合材料在汽车轻量化领域的应用

1942年，美国某公司成功研制了玻璃钢，其他国家也相继制造了性能更优的复合材料，如碳纤维增强复合材料、纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料等，并将其广泛应用在汽车的制动盘、活塞和驱动轴等零部件上。碳纤维增强复合材料（CFRP）的强度为碳钢的3倍、铝合金的4倍。在同等强度下，CFRP的质量为钢的25%、铝合金的50%，使CFRP车身比钢质车身轻50%以上，比铝质车身轻约30%。碳纤维复合材料的耐腐蚀、耐高温、热力学性能好，可提升汽车的应用性能，成为汽车轻量化领域的主要研究对象。其他复合材料，如陶瓷基、金属基复合材料等，其耐磨性、耐热性更优，适合制造汽车易磨损零件、耐热零件[4]。

纤维复合材料虽性能优异，但难降解回收且成本较高。应用高压树脂传递模塑成型技术、真空袋压成型工艺、真空导入模塑成型工艺、热气压成型技术等先进技术，可提高纤维复合材料的生产效率、降低成本。宝马是引领CFRP进入大众化汽车领域的先行者，宝马7系采用CFRP与高强度钢、铝材结合制作车身材料。丰田、大众、奔驰、现代等多家汽车制造商均在开发汽车轻量化过程中使用了纤维复合材料。奥迪A8轿车的后围结构使用了CFRP，减重超过50%；上汽通用五菱某款车型的发动机装饰盖使用了聚丙烯长玻纤材料，减重超过20%；宁波材料所与奇瑞汽车联合研制的插电式混合动力车型的车身使用了CFRP，减重超过40%[5]。

3 纤维复合材料在汽车轻量化领域中的结构优化

与金属材料相比，纤维复合材料柔韧性好、易加工、具有明显的各向异性，因此，其结构设计更灵活多变，可充分发挥材料的承载能力，实现结构轻量化。

3.1 夹层结构

夹层结构由上下两块薄而强的面板、轻质芯材组成，芯材形式有泡沫、蜂窝、波纹等。在汽车工业中，复合材料夹层结构应用较为广泛，主要用于车身外蒙皮、保险杠、座椅、车门等处，且具有良好的使用效果。

3.2 尺寸和形状优化

尺寸优化指在保证构件性能的同时，对该构件的截面面积及厚度等进行优化。由于需要将数学模型和与有限元软件相结合，且计算机发展迅速，因此，尺寸优化的过程较简便快速，结果更精确。形状优化的情况可分为规则和不规则构件，针对汽车上少数的规则构件，可将形状优化作为尺寸优化；针对大部分不规则零部件，进行无参数的形状优化。形貌优化是形状优化的高级形式，主要用于薄板型构件，是优化加强筋分布的设计方法，使构件符合频率和刚度要求[6]。

3.3 拓扑优化

拓扑优化结构可分为连续型结构、离散型结构。离散结构拓扑优化常用于桁架、钢架、加强筋板等骨架结构及其组合的分析优化；连续体结构拓扑优化可解决二维板壳、三维实体的优化问题。拓扑优化应先确定设计区域，以不影响其他零部件为目标，再建立目标函数，优化材料布局、性能。相较于其他结构的优化，拓扑优化可提高设计生产效率，减少开发和验证时间，降低经济成本。其主要方法包括均匀化法、人工密度法、进化结构优化方法、水平集法、渐进均匀化法等。结构优化的求解方法中，智能算法虽计算量大但易实施，主要包括基因遗传算法、蚁群算法、模拟退火法、粒子群算法和神经网络优化算法等[7]。汽车轻量化领域中拓扑结构优化的发展和应用，可主要针对算法，如遗传算法、量子行为粒子群算法等，拓扑优化可与其他结构优化相结合，且多目标结构拓扑优化可参考实际已成功验证的参数，并采用如层次分析法、折衷规划法、线性加权法等方法计算系数，以达到更好的效果。

3.4 多学科设计优化

多学科设计优化，可有效协调复杂系统的各子系统，以达到整体最优，其算法分为多级分布式、单级整体式、协同优化算法、目标分流法。单级整体式相对简单，但很难在实际中应用；多级分布式应用广泛；协同优化算法具有结构简单、子系统自主性高等优点，相关的研究较多且应用范围较广；目标分流法具有提升设计效率、降低设计难度等优点，在汽车优化设计中将有更广泛应用。目前结构优化未发展完善，在实际应用中存在较多问题，如数值计算不稳定、网格依赖性强、计算量过大等。纤维复合材料具有复杂的微结构，难以对其进行仿真分析，其构件在应用时易出现不可预测的缺陷。可对纤维层进行建模，以提高其可靠性，采用平行处理的方法，加快运算速度，并不断对其进行完善。

4 汽车领域纤维复合材料成型工艺

4.1 传统成型技术

模压成型工艺历史悠久，在汽车领域得到了广泛应用，其适用于生产大型异形件，且生产率较高，成品尺寸精度较高、表面质量较好，但其成型周期时间较长，内部孔隙率较高，仅用于制作非结构件[8]。热压罐工艺具有制件加工灵活等优点，可实现复合材料的整体成型，减少连接件的使用，实现结构轻量化，但其具有采用的热压罐体积大、结构复杂、投资成本高、消耗能源多等不足，限制了应用范围[6]。拉挤成型工艺的优点具有生产效率高、可连续成型、自动化程度高、制造成本低、制品质量稳定、外观平滑等优势，可用于保险杠横梁、门防护梁、顶梁等零部件的制造。纤维缠绕成型技术的自动化程度高、生产周期较小、生产效率高，是生产传动轴、储气瓶等回转零件的主要方法。液体成型工艺与热压罐成型相比，可节省预浸料加工、预浸料低温储存、使用昂贵的热压罐工艺过程，是成本较低的工艺。

4.2 新型成型技术

高压树脂传递模塑成型工艺、真空导入模塑成型工艺是传统液体成型工艺的新型优化工艺。高压树脂传递模塑成型工艺，提高了生产速度、效率，可实现纤维复合材料的高效规模化生产。真空导入模塑成型工艺相对简单，制品尺寸和形状不受限制，生产成本更低，满足大规模生产要求，可用于汽车车顶、挡风板等零部件的制造。真空袋压成型工艺在满足制造要求的同时，避免了使用昂贵的热压罐，减少了构件的成本。热气压成型工艺与传统模压成型技术比，可通过气体挤压材料，只需通过单模便可生产构件，有效降低了生产成本，可避免模具间的刚性接触，使构件表面质量更好、受力均匀。为了更好地达到轻量化目标，需要综合每种成型方法的优缺点，合理选择成型工艺。

5 结语

汽车轻量化领域中轻量化材料和结构优化已取得良好效果，应用日趋广泛，可将材料、结构优化、工艺等多方面相结合，综合系统地研究和应用。纤维复合材料质量轻、降噪减振、高强度、耐腐蚀，在汽车轻量化领域应用广泛，应不断提高纤维复合材料的性能，降低其成本。纤维复合材料柔韧性好、易加工，其结构设计更灵活多变。通过分级优化、基因遗传算法、人工神经网络等智能优化设计，充分发挥纤维复合材料力学性能优势。纤维复合材料目前采用较多的制备工艺，包括模压成型工艺、拉挤成型工艺和液体成型工艺等，以热气压成型工艺为代表的新型成型技术将在大规模、高质量、高效率的构件生产中起到关键作用。