當前，新能源技術、輕量化技術和智能網聯技術是引領汽車行業發展和技術革新的三大方向，碳纖維復合材料以其質輕高強的性能成為汽車輕量化技術領域的翹楚。

 

由于碳纖維復合材料的特殊性和復雜性，本文從材料選擇，結構設計與優化，鋪層設計與優化，裝配連接設計，仿真分析，工藝成型等多方位、全流程地探索碳纖維復合材料車門的研發技術，以實現車門結構的輕量化、集成化和模塊化。

 

作者：王瀟雨

 

Part 1

引 言

輕量化技術作為新能源汽車的核心技術之一，是實現節能減排、綠色發展，以及促進汽車行業共贏的必經之路，目前已經成為世界汽車發展的潮流和趨勢。實現汽車輕量化最直接、最有效的方式是使用輕量化材料。碳纖維復合材料（CFRP）具有高強度、高剛度、高斷裂韌性、耐腐蝕、高阻尼等特點，可大幅減輕整車重量，減重比達50%-60%，同時大幅提高汽車服役壽命、燃油效率和安全舒適性，已被公認為汽車工業領域最理想的輕量化材料。

本文基于等剛度原則，以原金屬鋼制車門的性能指標為參考，通過對車門的多方位、全流程解析，提出了碳纖維復合材料車門設計的幾種新思路和方法，充分發揮了復合材料的可設計性和多功能性，結合公司多個項目的設計經驗，實現了碳纖維復合材料車門從理論到實踐的演化，為汽車輕量化的發展提供參考方向。

Part 2

材料選擇與測試

根據零件的使用性能、安全耐久和受載情況等因素需要選擇合適的材料來成型制造汽車復材制品。針對汽車行業碳纖維的性能要求，按碳纖維強度級別分常用的有T300、T700級；按中間材料形式有預浸料、織物、單向帶、多軸向編織布等；按絲束大小有3K，6K，12K，18k，24K，48K等；按典型樹脂類型有環氧樹脂、聚氨酯、雙馬樹脂、酚醛樹脂、聚酰亞胺樹脂等；以上材料成分和材料形式的選擇都需要綜合考慮外觀，使用環境，性能，成本，工藝等諸多因素。

本文研究的車門選擇T300級別，絲束3K的雙軸向碳纖維織物增強環氧樹脂基預浸料。

Part 3

結構設計與優化

3.1模型簡化設計

由于復合材料的成型是多層預浸料鋪疊加壓固化而成，因此在復合材料結構設計時必須考慮到纖維鋪覆的工藝性，即盡可能使轉角過渡平滑，減少加強筋、加強槽等特征。因此，在獲得車門金屬數據模型和設計硬點信息后，首先需要對模型進行簡化處理，去除或減少用于增加剛度的加強槽和加強筋，處理轉折區及圓角處的過渡。

車門內板的金屬模型和簡化處理后的復材模型結構如圖3.1所示。

圖3.1 車門內板金屬模型和復材模型

層壓結構的圓角半徑與所選用材料的柔性、模具、層壓件厚度等有關。最小圓角半徑需與制造部門確定，圓角半徑過小，會在拐角區域發生纖維拉斷、架橋和樹脂堆積等制造缺陷，因此，設計復合材料層壓結構時，在拐角處應盡可能的給較大的半徑，盡量避免形成尖銳的棱角。

車門內板圓角過渡處金屬模型和處理后的復材模型如圖3.2所示。

圖3.2 車門內板圓角過渡處金屬模型和復材模型

3.2集成化設計

傳統金屬車門結構一般包括外板、內板、窗框加強板、上下鉸鏈加強板、鎖加強板、限位器加強板、腰線加強板和防撞橫梁等結構組件，一般鋼制金屬車門模型爆炸圖如圖3.3所示。

圖3.3 金屬車門總成模型爆炸圖

復合材料的優勢是可以將若干個零部件組合為整體成型，以大幅減少零件和緊固件數量，簡化連接和裝配，降低復合材料的制造成本，實現材料、功能、結構的一體化。

使用復合材料集成化設計可以將車門限位器加強板、鎖加強板和鉸鏈加強板集成到內板，在保證各項法規要求和性能指標的前提下，解決限位器的安裝問題和運動校核，在限位器和鉸鏈安裝區域局部加厚，提高局部強度和剛度；還可以將防撞梁集成到車門外板，采用夾心結構的設計方式不但提高了外板的整體剛度，還減少了零件數量和裝配成本。

防撞橫梁集成到外板的碳纖維復合材料泡沫夾芯結構如圖3.4所示。

圖3.4 金屬車門方案與復材車門方案

Part 4

鋪層設計與優化

鋪層設計是復合材料結構設計的關鍵，鋪層設計的核心技術是如何將單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上，使鋪層結構起到承上啟下的作用。因此，復合材料鋪層設計既要考慮到復合材料部件的受載情況和傳力路徑，還要注意復合材料成型的工藝難易程度。碳纖維復合材料結構設計的基本原則為：

a）主應力原則：纖維取向應盡量與構件的主應力方向一致，充分發揮纖維的承載性能。

b）對稱均衡原則：對稱均衡層合板可以避免各種耦合作用引起固化后的翹曲變形。

c）鋪層定向原則：一般多采用0°、90°和±45°等鋪層方向，盡量減少鋪層方向以簡化設計和施工量，且任一鋪層的最小比例≥10%。

d）鋪設順序原則：同一鋪層角的鋪層盡量均勻分布，一般不超過4層，以防分層、開裂破壞。

在虛擬工藝鋪覆過程中，需要對鋪覆結果進行評估，鋪覆性不好的地方應采取合理分塊、更改鋪層起始點，剪口，補片等設計手段對分塊或者鋪層原點進行優化，直至鋪覆性分析完全通過。

本文中的碳纖維復合材料外板結構簡單，外形流暢光順，在所選預浸料布幅足夠的情況下直接整體鋪覆；內板結構較為復雜，為了滿足預浸料鋪覆的工藝性，需要分塊鋪覆。

基于西門子Fibersim復合材料設計軟件，對外板和內板的各鋪層方向織物的鋪覆性進行了分析和優化，內板和外板工藝鋪覆性良好，能夠滿足制造需要。

車門外板鋪覆性效果如圖4.1所示，車門內板鋪覆性效果如圖4.2所示。

圖4.1 車門外板鋪覆性效果

圖4.2 車門內板鋪覆性效果

鋪層展開圖用于復合材料車門的制造，導出數據可以直接作為自動裁布機可識別的信息。碳纖維復合材料車門內板0/90°方向鋪層展開圖如圖4.3所示。

圖4.3 車門內板鋪層展開圖

Part 5

連接設計與裝配

在復合材料連接設計技術中，一般需要考慮到結構件傳遞載荷的大小、連接部位的重要程度、被連接件的材料特性等因素，除此之外還要從環境狀況、可檢測性、可拆卸性及可修理性以及工藝性和制造成本等方面進行考慮。復合材料連接一般分為機械連接、膠接及混合連接。

5.1機械連接

圖5.1 機械連接示意圖

5.2膠接連接

復合材料的膠接是指借助膠粘劑將零件連接成不可拆卸的整體，是一種較實用、有效的連接工藝技術，在復合材料結構連接中應用較普遍。膠粘連接接頭的結構設計形式也是多種多樣的，根據被粘物形狀可分為平面搭接、角形搭接、T形粘接和管、棒形粘接等形式；根據材料的粘接方式又可分為對接、搭接、插接、階梯搭接等等。

膠接連接示意圖如圖5.2所示。

圖5.2 膠接連接示意圖

5.3混合連接

圖5.3 混合連接示意圖

Part6

結構設計與優化工藝成型及加工處理

6.1工藝成型

先進樹脂基復合材料的成型與制造技術基本上可分為兩大類，即濕法成型和干法成型。

濕法成型常用的成型方法有樹脂傳遞模塑成型（RTM）、真空輔助成型（VARI）等。

干法成型常用的成型方法有熱壓罐成型、模壓成型等。對于大尺寸形狀復雜、整體化程度高的制件，要用熱壓罐成型。而對于尺寸較小的高精度制件，通常用模壓成型。

碳纖維復合材料成型工藝的選擇是與原材料的選擇同時進行的。本文研究的車門外板和內板均選用了預浸料，其成行方式隨之也就確定為干法成型，考慮到其尺寸較大、安裝面和安裝孔精度要求較高，尤其是車門外板的表面質量要達到A級，內板結構復雜且為變厚度層壓結構，因此，內板和外板均采用預浸料雙面剛性模具模壓成型。

6.2加工處理

復合材料固化成型之后還需要對其機加工處理，一般都需要鉆孔，切邊，打磨等，尤其是對于類似車門內外板這種結構復雜的復材制品，制孔數量多、難度大、精度高，加工耗時多，成本高。

碳纖維復合材料制品的機械加工通常分為傳統加工和先進加工兩類方法，傳統機械加工方法基本上沿用了金屬加工工藝和設備，先進復合材料加工方法大大提升了制品的加工質量和性能。傳統加工方式不能滿足加工質量要求，還可能對復材制品造成損傷，甚至破壞，先進加工方法設備昂貴，加工成本太高。

先進加工技術包括激光加工、高壓水射流加工、超聲波加工等技術。

Part 7

結論

 

以上提到的碳纖維復合材料車門結構設計流程和技術已獲得多個項目的實際驗證，但是難免有不足之處，比如經濟性、維修性和制造能力等因素成為汽車企業向碳纖維市場轉移的障礙。隨著碳纖維行業的不斷發展和汽車輕量化技術的日益成熟，碳纖維復合材料在汽車行業的應用會更加廣泛。