在汽車研發的領域，輕量化設計早已成為整車產品開發的主要潮流。輕量化設計，意味著更少的材料使用，更輕的車身重量，更少的CO2排放。歸功于使用輕量化設計技術獲得的新一代車身，汽車成本效率得到了大幅度的提升，同時車輛的可操控性也顯著增強。通常，在這一領域，新材料的應用是創新設計的主要源泉。近些年來，使用鋁制零部件取代傳統的鋼制零部件，為汽車企業節約了大量的材料。但是尋找質量更輕，性能更好的材料的研究始終沒有停止。在最新的研究成果中，復合材料已經在汽車零部件輕量化設計中嶄露頭角。但是直到最近，復合材料的應用仍然局限于汽車的非承重零部件和非安全相關零部件。今天，越來越多的汽車廠商開始對復合材料在承重零部件上的應用的可行性進行探索。因為復合材料的固有特性與金屬材料有很大不同，因此需要一套全新的產品開發流程。大眾汽車研究中心近期開展了一項研究，其核心目標是在傳統的B-柱設計中引入復合材料材質，以期在合理的制造成本內，獲得質量更輕，性能更好的B-柱設計方案。這個項目是與Altair公司產品咨詢團隊（Altair ProductDesign）合作并運用HyperWorks軟件完成的。

解決方案 

      大眾汽車對復合材料在汽車承重零部件中的應用起始于某鋁制B-柱結構。該部件使用額外的鋼制及鋁制零部件進行了加強。大眾汽車和Altair ProductDesign的工程師對在該零部件上使用復合材料替代鋁材料以獲得質量更輕的設計方案展開了研究。為了對比驗證新的設計方案與原有方案在質量及性能上的差別，工程師選擇了一款已有的B-柱零部件（Audi A8,D3）作為基礎設計。對于所選定的模型，工程師們基于其工程經驗、產品性能數據以及CAD數據，作為其新產品設計的依據?；谝陨系闹R，工程師們開始探索是否可以在原有設計的基礎上，設計出一款使用全復合材料制成的全新設計方案，并在產品性能、可加工性、重量和成本上與原始B-柱設計方案相比具有一定的競爭力。該工作的核心內容是定義出一套全新的、具有高可靠性和高效率的開發流程，可以用于各類復合材料零部件的研發工作，并可以通過仿真手段，對設計結果進行驗證。原有鋁制結構上的載荷工況被新的測試程序繼承，針對B-柱結構，包括靜態車頂擠壓、座椅安全帶固定裝置實驗以及IIHS側面碰撞工況。 

      在汽車承重零部件復合材料優化設計中，面臨的挑戰包括高度的非線性行為（大變形、接觸、結構失效）以及大量的設計變量（拓撲結構、復合材料鋪層數量、鋪層角度等）。通常，需要使用非線性材料模型以獲得精確的數值模擬結果。但是在復合材料優化設計中，設計變量的總量是非常驚人的，這導致如果同時使用嚴格的非線性材料模型，會導致求解時間過長，并導致工程師對已有設計方案進行更新并驗算的周期變得無法接受。因此，工程師需要尋找某些替代的方法，以降低數值模擬問題的復雜程度。 

      在設計的早期階段，如果同時需要考慮大量的設計變量，那么可以選擇較為簡單的材料模型或直接使用線性材料模型，即可完成基本的分析。在設計的后期階段，當通過篩選設計，設計變量的總量已經較少時，可以使用復雜的非線性材料模型，以期獲得更為精確的數值模擬結果和B-柱性能數據。 

戰略發展產品研發策略 

      基于以上考慮，大眾汽車研究中心決定在B-柱結構優化設計中采用兩步優化的策略：即概念設計階段優化和細節設計階段優化（圖1）。

                

      在概念設計階段，工程師們采用線性材料，首先對B-柱結構進行拓撲優化，以獲取該零件基本性能的信息，并對傳力路徑以及復合材料鋪層角度進行判斷。此外，拓撲優化階段的結果還可以為后續該結構加強肋的排布方案給出參考性意見。經過拓撲優化后，基本確定該B-柱材料空間分布形式及加強肋安裝位置（上下連接點及結構中點處，圖2）。

                 

      鑒于以上結論，可得出復合材料優化技術是通過有限元概念模型入手進行研究。復合材料優化設計技術在汽車行業和航空航天行業有著類似的應用，但航空航天領域工程師通常是進行線性材料模型分析，汽車行業工程師在產品研發的后期必須進行非線性分析，如對B-柱結構的非線性性能進行研究。這一優化設計階段，其優點是：不僅對B-柱線性材料物理分析進行控制，還能解答相關于復合材料的一些通用問題。 

優化流程 

      碳纖維復合材料優化包含三個主要的環節：在自由尺寸優化（Free Size Optimization）階段，工程師們確定在各個零部件中，碳纖維層合板中所需的鋪成部分；在隨后進行的尺寸優化階段中確定所需進行鋪層層數；在最終設計階段，最終的復合材料鋪層堆疊方式由鋪層層疊次序優化確定。 

      在自由尺寸優化階段，大眾汽車工程師使用OptiStruct作為優化工具，以確定在各個零部件中，碳纖維層合板鋪層中所必須的鋪層方向。此外，應用自由尺寸優化技術獲得的結果還可以確定零件需要性能加強的位置以及這些加強結構的作用范圍是零件的整體（加強結構遍布零件全局）還是局部（加強結構僅對結構部分區域起作用）。

                  

      得出結果（圖3）顯示出B-柱在優化后各纖維角度下(0°, 45°, 90°, -45°)的載荷和壓力分布。鑒于以上優化結果及其對于產品生產流程的考慮，工程師對個各零部件進行闡述說明，從而為具體的零件分發提供依據。隨后，大眾工程師再次利用OptiStruct對B-柱進行參數優化設計，其目標得出在B-柱各角度鋪層所需鋪層數(圖4)。

                 

      后續優化階段，零件分發結構將由參數優化而定，同時，也能減少使用零件數量。工程師們致力于通過現代優化設計方法，最終獲得質量更輕、鋪層更復雜但同時易于加工的復合材料鋪層設計方案。組件的靜態剛度性應盡可能保持。通過復合材料優化設計得到的B-柱設計方案與原始金屬材質方案相比具有接近的剛度，但是重量減輕了40%。(圖5).對于最初可行性優化研究，工程師還需進行部分操作如加強肋等，再考慮到成本和制造因素，只需建立一個簡化模型作為原型（圖6）進行分析。

             

      如圖7所示，通過復合材料優化設計得到的B-柱設計方案與原始金屬材質方案相比具有相近的剛度，但重量減輕了約40%。纖維復合材料具備最佳的吸能能力，通常比金屬材質輕30%重量的纖維復合材料可多吸能高達25%。但是分析結果表明復合材料的B-柱結構的變形增加了30%，這不符合車體B-柱的設計要求。因此，最有效的設計方法，是在B-柱結構中加入加強肋結構，盡管這在一定程度上會弱化一些復合材料在重量上的優勢，但總的減重效果依然明顯。

                   

結論 

      最終，基于復合材料的汽車輕量化設計技術這一項目研究目標獲得了一些成果。但是大眾至今還不能生產出即能明顯減重又能滿足高性能測試要求的復合材料B-柱結構。這是由于：由玻璃纖維材料所制成的B-柱在重量上所帶來的優勢，也被加強肋的嵌入有所抵消；同時，對于加工工藝也有一定的難度，工程師也尚未研究出具有加工性的新型復合材料結構。 

      然而，建立一個在滿足減重30%前提下，與原始金屬材質方案相比具有接近的應力水平的零件結構還是可行的。該項目最初目標是：研究纖維復合材料材質的承載結構的研發流程。在B-柱結構優化設計中所采用的兩步優化（即概念設計階段優化和細節設計階段優化）策略，不僅有助于減少參數數量，也對針對特殊用途進行微調的參數有參考性作用；這是一種不僅將整個流程分割為概念設計階段和細節設計階段，也能讓工程師工作時擁有更好質量的結果和非線性參數的方法。在未來類似項目中，為使工程師所研究出的結果（即碰撞測試）規范化，微調階段中非線性參數的使用將會強制作為唯一參數標準。大眾汽車集團，特別是位于德國內卡蘇爾姆（Neckarsulm）的Audi汽車減重中心，在汽車開發過程過程中已將纖維復合材料用于多項研究活動。由大眾研究中心所開發出的優化技術方案已被Audi工程師應用于實際，今后，大眾汽車將對開發流程作進一步調整。基于汽車整車廠與Altair公司的合作，及對于研發流程的調整，這將會大大提高業內在更多汽車部件設計中使用纖維復合材料的可能性。