整體式碳纖維復合材料純電動汽車上車體結構件研制

日期：2018-01-06 來源：來源：期刊-玻璃鋼/復合材料 作者：楊宇威、田宇黎、劉肖杏、 瀏覽：2146

 　　摘要: 依托某全新開發的純電動車型，開展碳纖維復合材料上車體結構設計及驗證; 根據原上車體設計的性能要求及碳纖維復合材料的材料和成型工藝特性進行結構設計，CAE 分析驗證，零部件及整車驗證，成功試制碳纖維復合材料上車體并應用于整車。研究結果表明，碳纖維復合材料經合理的結構設計更適合作為結構件在汽車領域中予以應用，并具有顯著輕量化效果，在汽車尤其是純電動轎車領域具有發展前景。
 
　　1、概述
 
　　新能源汽車的研發和產業化勢頭日顯迅猛態勢，預計到2020 年我國新能源汽車年產量達到500萬輛，而純電動轎車則是這其中的重要代表。但由于能量存儲方式所限，降低能耗、增加續駛里程成為在電動汽車發展過程中亟需解決的關鍵問題，而輕量化則是解決這一問題的主要手段之一。
 
　　由于車身系統占總質量1 /3 左右，該系統輕量化可有效降低整車質量，降低整車能耗。碳纖維復合材料是一種力學性能優良的先進輕量化材料，在車身輕量化技術中，引入碳纖維復合材料技術的多材料輕量化車身成為新的發展熱點。
 
　　美國PNGV( Partnership for a New Generation of Vehicles) 項目、美國能源部、福特公司等聯合開展的MMLV( MultiMaterial Lightweight Vehicle) 等項目均對此進行了研究，而國際知名汽車企業也以量產為目標開發出相應產品: 例如寶馬i3全碳纖維車身( 不含開閉件)和寶馬新7 系Carbon Core車身，均采用CFＲP 技術實現了大幅輕量化并引領汽車工業的新變革。
 
　　奧迪也在Audi Ｒ8 基礎上開發了Ｒ8 e-tron，采用鋁合金框架式車身結合碳纖維復合材料用于乘員艙關鍵零部件，實現了高強、高安全車體的極致輕量化。
 
　　國內在碳纖維復合材料應用技術領域仍處于研發和探索階段，受原金屬車身零部件結構與邊界裝配條件已經確定的限制，碳纖維復合材料的應用多以材料替換的形式應用于外覆蓋件或裝飾件，極少有應用于結構件的技術研究，更無針對量產車型的開發。
 
　　本研究是基于北京新能源汽車股份有限公司的某全新車型，考慮碳纖維復合材料特性及成型特點進行的碳纖維復合材料上車體一體化結構設計、驗證研究，形成了既符合整車技術指標要求，亦有效利用CFＲP 材料特性的CFＲP 上車體結構件，實現對碳纖維復合材料車用結構件應用技術的有益探索。
 
　　本研究成果集成了車身覆蓋件及結構件功能，并以碳纖維復合材料結構件的形式次應用于量產車型，具有國內創性。
 
　　2、CFＲP 上車體結構設計
 
　　2. 1 設計要求
 
　　根據上車體的結構和功能，CFＲP 上車體零部件要求替代原車身上車體所含的上車體金屬框架、頂蓋本體以及體現相關的與前后風擋玻璃、通風蓋板、天窗、遮陽簾、遮陽板、內后視鏡、頂部拉手、安全帶、A/B 柱飾板、尾翼、電子電器線束相關的所有安裝結構; 并滿足與下車體的裝配。原上車體結構零部件見圖1。
 
　　圖1 原上車體結構零部件

(a) 原頂蓋本體


(b) 原上車體金屬框架
 

　　在零部件結構性能方面，CFＲP 上車體要求滿足《GB 26134—2010 乘用車頂部抗壓強度》中的安全標準，由于碳纖維復合材料與金屬不同，屬于硬脆性材料、無塑性變形，因此選擇GB 26134—2010 標準中加載127 mm 強制位移時，頂蓋部位產生的對應載荷的反作用力應大于車重1. 5 倍的判斷準則進行安全性判定( 搭載車型的整備重量小于0. 9 t，所受載荷目標值應大于12. 2 kN) 。
 
　　同時，上車體需滿足整車搭載彎曲模態一階扭轉模態大于30 Hz、MATCH-BOX 模態大于35 Hz、一階彎曲模態大于30Hz 條件; 而在滿足結構與功能要求的同時，輕量化率需≥35%。
 
　　2. 2 設計方案及典型結構
 
　　本研究在全面考慮原上車體結構性能需求及CFＲP 材料特性及工藝特性的基礎上，對原上車體零部件及結構進行了全新設計( 見圖2) :
 
　　先，完全取消原金屬框架零部件，通過在原頂蓋本體前后橫梁部位增加CFＲP 內部加強板的形式，充分發揮碳纖維復合材料的比強度高、比模量高和可設計性的特點，將原金屬上車體框架功能與頂蓋本體集成，形成一體化上車體結構( 見圖3) ;
 
　　其次，取消原B 柱壓鑄鋁合金結構，配合安全帶安裝點功能需求，采用在B 柱部位CFＲP 內部加強板中增加金屬板預埋件及螺母結構，滿足B 柱部位的結構與功能要求( 見圖3) ;
 
　　再次，周邊零件的安裝結構以鋁合金支架粘接/預埋形式與CFＲP 上車體集成; 后，CFＲP 上車體與下車體采用上車體預埋/粘接鋁合金連接結構，與下車體進行螺栓連接及粘接。
 

圖2 碳纖維復合材料上車體結構設計數模


圖3 碳纖維復合材料上車體主要零部件

2. 3 材料選擇及鋪層
 
　　考慮成型工藝易實現及低成本化，本研究選擇低溫預浸料及真空袋壓成型工藝。主要鋪層為:
 
　　①頂蓋本體，表面采用1 層200 克重T300 斜紋預浸布，內部采用10 層300 克重UD T700SC 預浸布按［( 0) /0 /45 / － 45 /90 /02 /90 / － 45 /45 /0］鋪層設計鋪設而成;
 
　?、趦炔考訌姲澹砻娌捎靡粚?00 克重T300斜紋預浸布，內部采用10 層200 克重UD T700SC 預浸布按［( 0) /0 /45 / － 45 /90 /02 /90 / － 45 /45 /0］鋪層設計鋪設而成。低溫固化預浸料主要力學性能見表1。
 
　　3、CAE 分析
 
　　為滿足碳纖維上車體的結構設計與性能要求，本研究采用Hypermesh 13. 0 對上車體數模進行前處理，并采用Abaqus 6. 12 /Lsdyna Ｒ6. 1 /Hyperview13. 0 對碳纖維上車體方案進行頂壓與模態CAE分析。
 
　　3. 1 頂壓CAE 分析
 
　　頂壓CAE 分析參考GB 26134—2010 乘用車頂部抗壓強度對頂蓋部位的測試要求進行，分別開展兩種情況的頂壓CAE 分析———上車體零部件頂壓CAE 分析( 見圖4) 及整車頂壓CAE 分析( 見圖5) 。
 
　　其中，上車體零部件CAE 分析以上車體部件為對象進行，CAE 結果表明在進行強制位移加載時，其反作用可達到21 kN，滿足安全性要求;
 
　　而以自車身頂壓CAE 分析以搭載上車體的整車數模進行，其頂壓CAE 分析結果顯示，車身頂部結構所受載荷增加至28. 1 mm 時，承受力達到目標值12. 2 kN; 在60 mm時，承受力達到13. 6 kN，頂部出現壓潰，滿足設計要求。
 


圖4 上車體頂壓CAE 分析
 


圖5 整車搭載頂壓CAE 分析

 
3. 2 模態CAE 分析
 
　　為驗證上車體設計是否滿足整車NVH 需求，將上車體數模搭載于原車身數模中進行模態分析，分析結果如表2 所示，均滿足目標要求。1 階扭轉模態見圖6。

 


圖6 1 階扭轉模態


4、成型工藝
 
　　本研究主要針對CFRP 上車體結構設計及驗證，因此研究過程中并未選擇適用于批量生產的成型工藝，而是考慮制件質量和工藝可實現性，選擇低溫固化預浸料鋪層的真空袋壓成型工藝，以保證樣件質量與制造可實現性的平衡( 見圖7) 。
 
　　CFRP 零部件成型固化溫度為80 ℃，固化時長為3 h，固化成型CFＲP 零件與金屬零件共同進行粘接和裝配( 見圖8) ，各部件的膠接采用金屬框架結合玻璃鋼壓板的輔助工裝保證膠接區域的平面度，從而保證膠接后總成的尺寸和精度，終形成CFＲP 上車體。

　　5、試驗結果
 
　　5. 1 輕量化效果
 
　　經實際測量，CFＲP 上車體總承重量為19. 4 kg，原結構重量29. 27 kg，減重35%。
 
　　5. 2 頂壓測試
 
　　CFＲP 上車體零部件頂壓測試由天津汽車技術研究中心實施，試驗采用臺架的方式，以CFＲP安裝與金屬框架工裝的形式模仿CFＲP 上車體在下車體上的安裝狀態進行測試，測試過程及載荷施加條件嚴格按照GB 26134—2010 進行，測試結果如圖9 所示。
 
　　實驗結果表明在測試條件下，上車體可產生20 kN 抵抗力，滿足上車體設計要求。由于該測試的工裝約束及載荷施加狀態與CAE 分析中上車體零部件分析狀態一致，因此，與上車體零部件頂壓CAE 分析結果( 21 kN) 相比較，CAE 分析與實際測試偏差小于5%，CAE 分析結果與實際測試結果具有較高的擬合性。
 
　　考慮臺架測試結果與CAE 分析結果具有較高的擬合性，測試結果滿足安全要求，且整車頂壓測試需對整車進行破壞性試驗，因此，暫未開展整車頂壓測試。

　　5. 3 高寒測試及綜合耐久性測試
 
　　為驗證CFＲP 上車體低溫性能及結構耐久性能，將CFＲP 上車體搭載于高寒實驗及綜合可靠性實驗車輛上，隨測試車輛進行高寒實驗( 內蒙古呼倫貝爾冬季汽車試驗場) 及綜合可靠性實驗。
 
　　高寒實驗已經完成，綜合可靠性測試已完成30000 km，均未發現不良問題，滿足設計要求。
 
　　6、結論
 
　　本研究針對純電動轎車上車體結構件進行碳纖維復合材料設計開發，利用碳纖維復合材料可集成化及可設計性特點，采用整體式上車體結構取代了原上車體框架及頂蓋本體的分體結構，在滿足上車體結構性能的同時，獲得了較高的輕量化效果。
 
　　同時，本研究完成上車體樣件的試制，并搭載于整車進行相關試驗驗證; 通過其CAE 分析及實車測試認為碳纖維復合材料上車體滿足所需頂壓測試、模態要求、高寒測試及綜合可靠性測試要求，具有量產應用可行性。
 
　　由于本研究成型工藝目前選擇適應樣件制造的真空袋壓成型，在后期研究中將進一步針對批量生產的需求進行適應量產化成型工藝的研究及結構優化，以終實現碳纖維復合材料車用零部件的量產開發。



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