中國首款采用復(fù)合材料的電動汽車白車身

【德】 Z.WANG M.K?FERB?CK 【中】 H.ZHAO H.CHEN

關(guān)鍵詞：電動車;復(fù)合材料;白車身

0 前言

研究人員通過采用纖維增強(qiáng)塑料（FVK）等復(fù)合材料，可減輕汽車質(zhì)量，改善車體結(jié)構(gòu)性能，并增加純電動汽車（BEV）的續(xù)航里程，因此該項舉措有著重要意義。為了在后續(xù)的生產(chǎn)過程中批量應(yīng)用FVK 材料，研究人員需要對整個供應(yīng)鏈進(jìn)行開發(fā)。由于過去中國汽車市場對FVK等復(fù)合材料的需求較低，因此中國汽車制造商在該領(lǐng)域的開發(fā)投入與技術(shù)經(jīng)驗也較為有限。

在EadoET車型的開發(fā)過程中，長安汽車公司的研究人員已開始應(yīng)用結(jié)構(gòu)性FVK材料，并加速建立了中國獨(dú)有的高強(qiáng)度FVK 材料供應(yīng)鏈。為了實(shí)現(xiàn)項目的預(yù)期開發(fā)目標(biāo)，研究人員使EadoET 車型充分滿足了中國新車碰撞測試（NCAP）標(biāo)準(zhǔn)，并獲得了最高的五星級評價。相比由鋼材制成的長安Eado車型，研究人員需要使新款EadoET 車型的質(zhì)量減輕30%。為實(shí)現(xiàn)上述開發(fā)目標(biāo)，研究人員為EadoET 車型選用了以FVK為主的復(fù)合材料和以集成式結(jié)構(gòu)件為主的設(shè)計方案。為了迅速完成后續(xù)的設(shè)計任務(wù)，研究人員必須選擇1種可通過模擬方式以加快開發(fā)進(jìn)程的方法。

1 用于白車身的復(fù)合材料方案

EadoET車型的整個白車身與車門及罩蓋共有2種不同的模式：其座艙結(jié)構(gòu)主要由碳纖維增強(qiáng)塑料（CFK）組成，局部采用了高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼進(jìn)行增強(qiáng)，而底部車架則僅使用了鋁合金（圖1）。這種結(jié)構(gòu)方式使得長安汽車公司的研究人員一方面能將鋁合金框架用于公共車型平臺，另一方面也能通過鋁合金材料來保護(hù)蓄電池外殼、驅(qū)動裝置及其他底盤部件。

研究人員通過設(shè)計優(yōu)化，使前車體和后車體在碰撞時能充分吸收能量，而鋁合金良好的碰撞特性使車體能充分吸收碰撞時所產(chǎn)生的峰值能量，并根據(jù)設(shè)計方案將負(fù)荷傳導(dǎo)到輔助結(jié)構(gòu)中。為了保護(hù)乘客，座艙需要白車身在變形量較小的情況下具有較高的剛度。在該方面，碳纖維以其出色的強(qiáng)度和剛度特性，具有明顯的優(yōu)勢。特別是在高負(fù)荷區(qū)域中，這種纖維材料能充分發(fā)揮優(yōu)勢。在車輛發(fā)生側(cè)面碰撞的情況下，車輛結(jié)構(gòu)必須防止被障礙物穿透，并能安全可靠地吸收碰撞能量，同時仍應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的完整性。由于需要充分吸收碰撞產(chǎn)生的峰值能量，而CFK 材料自身質(zhì)地較脆，因此并不適用于該場合。研究人員選擇的由鋼材與CFK材料組成的復(fù)合材料則能充分滿足上述目標(biāo)。這種復(fù)合材料被稱為鋼芯，并且可被集成在側(cè)面框架中，以組合2種材料的優(yōu)點(diǎn)。

這種鋼芯可用于制造B柱，并可用于增強(qiáng)車頂框架、A 柱和側(cè)面車門等區(qū)域。同時，該類材料適用于吸收碰撞能量，能在狹窄空間結(jié)構(gòu)中將能量傳導(dǎo)到周圍結(jié)構(gòu)中。

如果研究人員只選用CFK材料來制造車身，會使方案成本過高，因此底部鋁合金車架必須具有較高的剛性，并且前部側(cè)面框架必須進(jìn)行重新設(shè)計。上述變化將導(dǎo)致現(xiàn)有座椅安全帶的配置和附件的裝飾件無法應(yīng)用至新款車型中。

2 以FVK 材料為主的座艙、車門和罩蓋

在大多數(shù)情況下，座艙、4個車門和前后2個罩蓋是由FVK材料制成的。為了優(yōu)化FVK 材料的供應(yīng)鏈，研究人員優(yōu)先選擇了一系列可在當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的材料和工藝技術(shù)，并將其用于以FVK 材料為主的車身結(jié)構(gòu)中。在開發(fā)過程中，研究人員根據(jù)用于制造各類構(gòu)件的大批量生產(chǎn)工藝，對其進(jìn)行了設(shè)計優(yōu)化。通過采用真空輔助樹脂灌注（VARI）技術(shù)，研究人員實(shí)現(xiàn)了快速且低成本的制造過程。圖2示出了纖維復(fù)合材料構(gòu)件。

3 通過集成方案以減少構(gòu)件數(shù)量

廣泛使用FVK 材料不僅可使汽車結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化，而且還能提高集成度。由于減少了構(gòu)件和連接部件的數(shù)量，研究人員僅通過粘接和簡單的密封過程，就能使由FVK 材料制成的座艙具有多種多樣的功能。例如，整車的地板結(jié)構(gòu)（圖3）由2種集成式構(gòu)件組成，即前車地板和后車地板。研究人員替換了前車地板上的12塊金屬構(gòu)件，使其質(zhì)量減輕了50%以上，替換后的前車地板質(zhì)量僅為7.8kg，同時優(yōu)化了其幾何形狀和纖維走向。通過采用單向纖維，研究人員在縱向上對中間底槽予以加強(qiáng)，改善了正面碰撞時座艙的穩(wěn)定性，提高了其整體抗彎強(qiáng)度。后車地板的情況與此相似，研究人員以FVK 材料替換了6塊金屬構(gòu)件，同樣使其質(zhì)量減輕了50%以上，替換后的后車地板質(zhì)量僅為5.9kg。此外，第2排座位的橫向結(jié)構(gòu)得到了局部增強(qiáng)，改善了整個白車身的抗扭曲剛度。

如上文所述，研究人員選用了許多能有效節(jié)省成本的集成構(gòu)件，明顯減少了整車構(gòu)件數(shù)量。在相關(guān)設(shè)計方案中，以FVK材料為主的白車身從原鋼制白車身的577多個構(gòu)件中僅沿用了159個。其余的418個鋼構(gòu)件被100個CFK 材料構(gòu)件、鋼芯及鋁車架所替代，從而使新款白車身的總質(zhì)量從469kg降至322kg，減輕了30%以上。

4 通過計算機(jī)模擬以加快開發(fā)進(jìn)程

研究人員通過量身定制設(shè)計方案，并采用了模塊化原理，成功開發(fā)了該款車身。在開發(fā)構(gòu)件的同時，研究人員必須平行制定基于計算機(jī)輔助工程（CAE）的模擬過程，以此檢驗材料的運(yùn)用效果及其清單的正確性。

由于項目開發(fā)時間較為緊湊，并且需要10余種不同的材料清單。從工程初期階段，研究人員就將相似材料歸納成組，并將預(yù)先確定的制造工藝和纖維體積含量作為分類的標(biāo)準(zhǔn)。同時，研究人員考慮到工藝的變化，在確保精度的情況下減少了試驗材料的數(shù)量。隨后，研究人員分析了白車身中不同區(qū)域的負(fù)荷狀況，以便對每種構(gòu)件材料清單的要求進(jìn)行評價。這種分類和評級就是用于顯示模塊化表征材料特性的最佳方法（圖4）。基于這種開發(fā)策略，材料清單完整地描述了碰撞區(qū)域的材料特性（1A、2A 和2B等級），對于少數(shù)關(guān)鍵的材料清單而言，其主要遵循材料失效后的特性，并減少了試驗費(fèi)用（僅試驗1A 等級或1A+2A 等級）。

為了制定材料清單，研究人員進(jìn)行了大量計算和硬件試驗，從項目初期僅對部件開展試驗，到后期對整車進(jìn)行試驗，以改善車輛在不同負(fù)荷狀況下的運(yùn)行品質(zhì)。這些試驗研究的重點(diǎn)主要在于吸收碰撞負(fù)荷的區(qū)域。研究人員提出了模塊化原理（圖5）及逐步逼近法，不僅能降低開發(fā)成本，而且能通過試驗以確保其有效性，并能基于不同的試驗等級而得到關(guān)鍵的數(shù)據(jù)。

5 在中國NCAP碰撞試驗中獲得的五星級評價

為了進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)功能，長安汽車公司的研究人員開展了硬件試驗。根據(jù)試驗結(jié)果，試驗樣車可滿足目前業(yè)界對車身強(qiáng)度和剛度的要求，同時也能滿足中國NCAP2018五星級碰撞試驗評價所需要的規(guī)定。這些試驗包括全覆蓋正面碰撞、基于偏移可變形障礙物的ODB碰撞、基于移動可變形障礙物的MDB碰撞等方面。根據(jù)相關(guān)結(jié)果表明，F(xiàn)EM 模擬和碰撞試驗存在良好的相關(guān)關(guān)系，兩者間的最大偏差約6%。

正如結(jié)構(gòu)設(shè)計方案所示，在ODB碰撞試驗期間，鋁車架吸收了主要的能量，由FVK材料制成的客艙具有足夠的剛度，并且能使鋁結(jié)構(gòu)在原有位置上保持不變，因此能有效地緩解駕駛室前圍板的變形，使客艙能保持結(jié)構(gòu)上的完整性，同時使峰值加速度低于35G。經(jīng)研究人員確認(rèn)的材料清單具有較高的可靠性，因此試驗曲線與FEM 模擬結(jié)果也具有良好的相關(guān)關(guān)系（圖6）。在車輛與堅硬障礙物發(fā)生正面碰撞的情況下，研究人員可觀察到相似的結(jié)果。與ODB負(fù)荷狀況相比，上述碰撞情況較少處于臨界狀態(tài)。

由于車門結(jié)構(gòu)中的鋼芯復(fù)合材料方案和其余鋼結(jié)構(gòu)的存在，車輛能吸收MDB碰撞能量，使其變形能保持在容許限度范圍內(nèi)，并能保持一定的結(jié)構(gòu)完整性。模擬過程能精確地預(yù)測前后車門框范圍內(nèi)的主要損傷，參與模擬與試驗的點(diǎn)數(shù)差別主要集中于后車門上部范圍。研究人員用假人參與了碰撞試驗，并呈現(xiàn)出比模擬過程更強(qiáng)烈的壓縮效果。研究人員還進(jìn)行了一些后續(xù)的碰撞分析，以便對碰撞原因進(jìn)行詳細(xì)分析，同時擬定優(yōu)化建議。研究人員期望后續(xù)在中國汽車技術(shù)研究中心（Catarc）開展的試驗?zāi)芫哂懈玫囊恢滦浴?/p>

6 結(jié)語和展望

目前，所有項目的進(jìn)度都能滿足預(yù)期的時間要求。長安汽車公司EadoET車型的白車身主要由FVK 等復(fù)合材料構(gòu)成，這種高度集成的結(jié)構(gòu)使整個白車身的質(zhì)量從469kg減輕到322kg。相比原鋼制車身，新款白車身的質(zhì)量減輕了30% 以上。按照中國NCAP2018標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定，驗證人員已確認(rèn)長安汽車公司的EadoET車型達(dá)到了五星級水平。

目前，就FVK這類材料而言，用戶能在中國獲取品質(zhì)精良的構(gòu)件，并學(xué)習(xí)到日趨完善的生產(chǎn)技術(shù)，充分滿足了該項目的預(yù)期目標(biāo)。以該項目為例，中國的復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)鏈已有了進(jìn)一步完善，并在很大程度上能用作于后續(xù)批量生產(chǎn)過程的基礎(chǔ)。2020年底，長安汽車公司已向中國汽車技術(shù)研究中心提交了1組樣車，以進(jìn)行后續(xù)的碰撞試驗認(rèn)證。同時，長安汽車公司已將該類復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案用于其旗下車型的批量生產(chǎn)。