彭釋　單永飛　梁元聰　李煒

摘 要：碳纖維復合材料（CFRP）正迅速向汽車輕量化領域拓展。該文總結了目前CFRP應用于汽車輕量化的設計辦法，并針對其優(yōu)缺點提出了高效可行的技術路徑；同時該文分析了國內外汽車輕量化用CFRP產業(yè)布局現狀，為加速建立全產業(yè)鏈提供參考。

關鍵詞：CFRP 汽車輕量化 路徑 布局

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）06（b）-0062-02

輕量化是滿足節(jié)能環(huán)保需求，保證汽車安全舒適的有效手段之一，已成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢。研究顯示，汽車每減少100 kg，百公里油耗降低0.3～0.6 L，CO2排放量減少約5 g/km，0～100 km/h加速性提升8%～10%，制動距離縮短2～7 m。汽車輕量化是設計、材料和先進的加工成型技術的優(yōu)勢集成。文章對汽車輕量化設計的常用路徑（“積木式”和“正向設計”）進行總結分析，提出兩者交互融合的新型路徑，并概述了國內外汽車輕量化用CFRP產業(yè)布局現狀。

1 輕量化技術路徑

1.1 從原材料到零部件的“積木式”技術路徑

在汽車領域，CFRP的應用缺乏成熟的分析方法和足夠的設計經驗，常采用從原材料到零部件的“積木式”技術路徑，又叫逆向設計。該路徑通過材料試樣、元件、組合件和部件4個層次“積木式”方法的逐步驗證，如圖1左所示。

CFRP在汽車中應用典型的“積木式”設計過程從選材入手，圍繞碳纖維、樹脂性能開展，建立材料數據庫，篩選并確定設計許用值及碳纖維、樹脂基本參數；其次，進行零部件結構選型和細節(jié)設計、工藝篩選，開展零部件制備，進行結構件驗證；最終，進行零部件集成應用，驗證結構部件是否滿足結構完整性要求。

1.2 整車開發(fā)“正向設計”技術路徑

“正向設計”即按照設計將功能、任務分解，并逐步驗證，是從無到有的設計，常借助計算機輔助工程（CAE）等關鍵技術，如圖1右所示。設計從整車CAE和Correlation入手，如：汽車車身要滿足法規(guī)和碰撞、行人保護等要求，在對整車性能要求基礎上，通過對系統(tǒng)的CAE分析及Correlation，進行制造工藝仿真，完成零件CAE，然后進行元件和典型結構分析，最后實現樣件CAE仿真。目標分解后，從樣件、元件、零件、系統(tǒng)、整車逐步驗證性能，最終進行試生產。

1.3 “積木式”與“正向設計”路徑交互融合

“積木式”設計方法從汽車零部件輕量化出發(fā)，效率高，研制周期短，但CFRP與金屬部件連接難，整車性能難控制。“正向設計”以整車為目標，對設計能力、生產能力要求高，成本合理，性能可控。有效合理地將“積木式”和“正向設計”理念相互交叉融合，可加快汽車輕量化用CFRP的推廣。“正向設計”可對整車設計生產加以宏觀指導，“積木式”設計對部件生產進行微觀導向。即從整車市場定位、減重出發(fā)，結合批量生產案例，將整車重量分解以確定模塊數量，從而進入各模塊強量化設計方案。由部件形貌厚度、力學性能要求等確定原材料形態(tài)、結構，根據CAE模擬和實驗確定工藝，經驗證，整車集成進行白車身輕量化及功能性驗證。

2 國內外CFRP應用于汽車輕量化的產業(yè)布局

2.1 國外產業(yè)化路徑特色鮮明

目前，世界上各大碳纖維廠家已紛紛和各大汽車公司聯手，不少甚至已形成了“碳纖維復合材料+零部件供應商+主機廠”的產業(yè)化布局。

德國寶馬公司已經率先完成了CFRP車身產業(yè)化工作，建成了空間跨度3國5地的工廠，實現了超過5 000 km的國際產業(yè)化布局，形成了從原絲（日本三菱）、碳絲（摩西湖碳纖維工廠）、編織布（德國瓦克斯多夫工廠）、復合材料/零部件（德國BMW藍茨胡頓工廠）到主機（BMW萊比錫工廠）的CFRP車身產業(yè)鏈。

此外，國外大量碳纖維、樹脂原材料企業(yè)通過創(chuàng)辦公司、簽署協議等形式開展不同程度的合作，以加速CFRP應用于汽車輕量化的腳步。2008年本田和日產與東麗聯合開發(fā)用于汽車的新型碳素纖維材料，旨在批量生產比鋼鐵汽車輕40%的汽車。2011年通用與日本帝人簽署協議，雙方將聯合開發(fā)碳纖維汽車零部件。2015年，福特與美國陶氏化學正式簽署合作協議，計劃合作開發(fā)先進碳纖維復合材料。2015年，福特汽車和土耳其DowAksa公司正式簽署了聯合開發(fā)協議，雙方將共同研發(fā)低成本汽車CFRP，以減輕車身重量。

2.2 國內產業(yè)化路徑初露端倪

10年前，我國汽車輕量化開始發(fā)展，如今已形成戰(zhàn)略聯盟、聯合實驗室、投資等多種產業(yè)合作形式。如今，3個國家級研發(fā)平臺和兩個國家級碳纖維聯盟已成功建立。此外，為推廣汽車用復合材料零部件工程化應用，中航復材分別與一汽、北汽聯合成立“汽車用先進材料聯合實驗室”、與北汽聯合成立“汽車用先進材料技術中心”，與長安汽車、比亞迪集團也開展合作。同時，康得投資集團與德國高盛集團就“新能源電動汽車碳纖維車體及部件的產業(yè)化項目”簽署投資合作協議，近日，其跑車已順利展出，全車重量970 kg，座椅1.5 kg，尾門3.4 kg，車門4 kg。

整體而言，國內汽車企業(yè)，如：長城、奇瑞、北汽、東風、比亞迪等正開展CFRP在汽車上的應用研究，但零部件開發(fā)較多、整車開發(fā)不足；概念樣車不少，量產車型鮮見，加快建立涉及先進復合材料“材料研發(fā)—原材料生產—零部件制造—整車集成—回收利用”等全產業(yè)鏈的需求迫在眉睫。

3 汽車輕量化用CFRP產業(yè)布局

作為中國近代工業(yè)的發(fā)源地之一，上海在先進制造業(yè)領域具有得天獨厚的優(yōu)勢，聚集大量科研人員，擁有全球布局的研發(fā)機構，配備了汽車輕量化產業(yè)布局中活躍度較高的企業(yè)，例如：金山石化、東華大學等碳纖維研發(fā)生產企業(yè)；亨斯曼、巴斯夫、拜耳等先進樹脂企業(yè)；晉飛新材料、賽科利、延峰彼歐等CFRP零部件制造企業(yè)；以及上汽集團和泛亞汽車技術中心等。

為了快速推廣我國碳纖維及相關領域的發(fā)展，提高我國汽車品牌影響力，打造“制造強國”，可由政府牽頭，加快輕量化復合材料產業(yè)布局，優(yōu)化產業(yè)發(fā)展環(huán)境；由整車廠牽頭，加速建立汽車輕量化用CFRP相關測試標準體系；由科研院所牽頭，突破大絲束碳纖維、回收利用和低成本快速成型工藝裝備等關鍵技術。

參考文獻

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