碳纖維復合材料英文名稱為：Carbon FiberReinforced Plastics，簡稱為：CFRP。主要由碳纖維和樹脂等基體制作而成的含碳量高達90%以上的復合材料，其密度約為1.4~2g/cm3，如圖1~圖3所示，僅為普通鋼材的1/4，甚至也只有鋁合金的2/3，而其強度卻可以達到鋼的7倍以上。在現存所有的汽車用工程材料中，碳纖維復合材料堪稱完美的工程材料因具有超高的比強度、比模量、比吸能等突出性能，同時擁有良好的抗疲勞性、耐腐蝕性，零件使用壽命高等突出優點，同時滿足了汽車安全性能的提升和輕量化設計需求，具有無可比擬的先天優勢，無疑是最為優秀、最具有發展前景的復合材料。

圖1

圖2

圖3

一.CFRP在汽車碰撞安全設計中的應用前景：

前后碰撞：CFRP因其具有高強度、高剛度的特點，在吸能效率方面具有明顯的優勢，在受到前后碰撞過程中，CFRP經過基體損傷、纖維斷裂等一系列的過程吸收帶走大量的能量，在承受相同程度的變形甚至斷裂破壞的環境下，與其它鋼材、鋁材等材料部件相比，能量吸收效率可以達到鋼和鋁合金的4、5倍。如圖2所示的雷克薩斯LFA超級跑車縱梁前端，在前緩吸能區采用CFRP作為碰撞吸能盒，極大的提高了正面碰撞第一階段的材料變形吸能，有效的降低了車身有效減速度，從而降低了乘員艙侵入量以及假人傷害。

圖4（圖片來源于Euro Car Body）

側面碰撞：在側面柱碰和側面壁障碰撞中，如圖5所示的寶馬7系車身，在主要傳力支撐路徑上（如B柱加強板、門檻加強板、側圍上邊梁內加強板、頂棚橫梁等）采用碳纖維復合材料的零部件可以有效的提高側面的抗撞擊性能，提高乘員艙的乘員生存空間和完整性，有效的降低乘員傷害，保證碰撞安全性能。在側面撞擊過程中，傳統的鋼結構零部件由于受到局部集中沖擊，不可避免的產生局部凹陷、彎折的現象，大大降低了乘員艙的空間，不利于乘員安全保護。CFRP由于自身固有的材料屬性、力學性能，即使出現局部的變形失效，仍然可以進行力的傳遞，避免出現如圖6所示局部凹陷、彎折，大大提高了零部件的抗沖擊性能，有利的保護了乘員空間。

圖5（圖片來源于Euro Car Body）

圖6

二.碳纖維復合材料數值模擬：

在LS-DYNA求解器中提供了諸多針對復合材料的本構模型，依據失效基準的差異，主要分為漸進損傷和連續損傷兩大類：其中以漸進損傷力學為基準的有MAT22、MAT54、MAT55等，以連續損傷力學為基準的有MAT58、MAT261等。研究顯示，復合材料采用漸進損傷力學模型，以強度作為材料失效準則，在仿真模擬復合層板的失效和損傷時，有著較高的精度，對復合材料的結構力學分析具有突出的指導作用。在碳纖維復合材料的有限元分析中得到廣泛的應用。其中MAT54（*MAT_ENHANCED_

COMPOSITE_DAMAGE）號材料采用Chang-Chang失效準則，這種以連續損傷力學為基準的材料本構模型以應力作為判定表達式，對于薄壁殼單元的數值模擬精度很好，在汽車碳纖維復合材料的仿真中得到更多的青睞。材料卡片如圖7所示。

圖7

CFRP的仿真建模是由多層各向鋪疊而成，由關鍵字*PART_COMPOSITE用來定義各層的材料、厚度、角度等。如圖8所示。

圖8

三.CFRP在汽車前地板總成的應用：

如圖9所示，為同時滿足輕量化設計要求和碰撞安全性能需求，采用CFRP新材料替代原有的金屬材料重新設計前地板，并驗證整車碰撞側面工況安全性能（注：前地板的設計變更主要影響側面工況性能）。

圖9

側面柱碰：Steel和CFRP兩種狀態的前地板側面柱碰B柱最大傾入量結果如圖10所示，由此可知，在側面柱碰工況中，兩種狀態的前地板B柱最大傾入量基本一致，滿足性能目標。

圖10 側面柱碰B柱最大傾入量

側面碰撞：Steel和CFRP兩種狀態的前地板側面可變性壁障碰撞B柱最大傾入量結果如圖11、圖12所示，由此可知，在側面可變性壁障碰撞中，采用CFRP前地板B柱最大傾入量小于原金屬材質前地板，B柱上、中、下三處的傾入速度基本一致，滿足性能目標。

圖11 側面碰撞B柱最大傾入量

圖12 側面碰撞B柱上中下最大傾入速度

綜上所述，在碰撞安全性能保持一致的情況下，采用CFRP的前地板相較于金屬前地板仍減重了41.9%，由此可見，碳纖維復合材料在輕量化和安全性能設計過程中具有巨大的潛力。碳纖維復合材料因其優異的性能，在新能源汽車的國家戰略規劃下，隨著技術的不斷發展，必將引領汽車設計的變革。通過CFRP新材料新技術應用，為人們提供更為高效、安全、節能產品，是每一位工程師不變的初心。