隨著我國汽車行業飛速發展，能源安全、節能減排成為汽車產業可持續發展面臨的重要問題。2015年5月，國務院發布“中國制造2025”，提出汽車產業2025年在新能源汽車、節能汽車、智能網聯汽車的發展目標和重點方向；2016年1月起執行的《乘用車燃料消耗量限值》國家強制性標準要求，到2020年，乘用車平均油耗降至5.0L/100km；2017年，《汽車產業中長期發展規劃》、“碳配額”及“雙積分”制度出臺，更加推動了汽車業向低油耗、低碳排放發展。面對愈趨嚴格的油耗法規，在當今電池與發動機技術提升難度日益加大的背景下，大力發展并推進汽車輕量化技術成為節能減排的重要途徑。

三大路徑實現汽車輕量化

汽車輕量化并非單純的減重，而是在成本控制和性能改進的條件下，通過輕量化材料的開發應用、輕量化結構的設計和優化以及與之匹配的先進輕量化成形技術在整車產品上的集成應用而實現的產品減重，是一個涉及經濟、技術、性能、環境等諸多方面的復雜系統工程，需要從材料到零部件結構、檢測技術、制造技術、材料回收與再生技術、零部件維修技術等一系列關鍵支撐技術的突破。

碳纖維復合材料應用已成熱點

輕量化材料主要包括超高強度鋼、輕質合金、非金屬復合材料等，通過使用高比強度、高比模量的材料替換傳統汽車用材，從而實現零件或系統輕量化。附表為常見車用代表性的金屬材料和非金屬材料性能列表。從力學性能對比不難發現，碳纖維復合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，以下簡稱CFRP）比強度、比模量高，力學性能突出；同時，其設計自由度高、易于集成，且耐疲勞度強、耐腐蝕性好，更易滿足汽車各項性能需求，達到顯著的輕量化效果。

CFRP力學性能突出且易于集成，在輕量化車身中的用材比例逐漸增加。從近幾年歐洲車身會議對國際主流車型先進車身輕量化設計的解讀不難發現，CFRP在輕量化車身中的用材比例逐漸增加，同時，應用范圍從非結構件向次結構件、結構件逐步拓展，已成為先進輕量化材料的應用熱點。以寶馬為例，在i3、i8、新7系中大量應用CFRP，其中i3首次采用CFRP單體式車身，其整備質量僅為1 250kg，較傳統電動車減重250～350kg，輕量化之后寶馬i3獲得了更多的電池空間以及續航里程，操控穩定性和動力性能也得到顯著提升。

三維編織CFRP車身結構的創新應用及難點

將CFRP制成中空封閉截面結構，是這一新興輕量化材料的重要發展方向之一。目前，常見的CFRP中空封閉截面結構的預成型方法有拉擠成形法、卷管成形法、纏繞成形法、三維編織成形法等幾類。前三種方法由于工藝條件所限，存在成形結構簡單、制造周期長、產品質量穩定性較差等問題，難以滿足汽車大批量生產的要求。而三維編織成型法是一種在芯模表面上直接編織成三維結構的預成形工藝，具有結構設計性好、集成度和成形效率高等優點，可實現中空封閉截面結構一體編織成型，適用于中空梁類零部件，如頂蓋橫梁、上邊梁、門檻梁等，并已在寶馬新7系車型中成功量產應用。

由于三維編織一體成形結構設計自由度大，編織工藝復雜，編織參數繁多，不同的編織參數和原材料組合都將改變CFRP力學性能。試驗測試方法存在樣片制作和試驗周期長、費用高等問題，而目前三維編織CFRP的仿真分析方法不成熟，材料數據庫缺失，也無法采用傳統的層壓板仿真方法對CFRP進程性能分析預測。如何合理的應用仿真技術去指導開發設計，是三維編織CFRP在汽車上的應用難點和核心技術。

三維編織CFRP細觀力學性能研究

通過三維編織CFRP細觀力學性能研究，掌握三維編織CFRP力學性能預測及優化仿真方法。將三維編織CFRP單胞（形成復合材料的服從周期分布的最小重復單元，見圖1）作為研究對象，其基本構成包括四部分：兩個編織方向的編織紗束（玻纖）、軸向紗束（碳纖）以及基體（樹脂）。仿真過程中首先分別對絲束和基體進行解析模擬，然后通過加權算法將各部分的彈性數值模型進行復合，基于漸進失效準則來預測材料的強度，形成三維編織CFRP細觀力學參數化解析模型。

基于參數化解析模型對三維編織CFRP力學性能進行分析，通過材料樣片試驗結果對模型進行修正，以保證模型精度。通過改變原材料參數和編織參數，可實現對材料力學性能的預測（見圖2）。

三維編織CFRP車身結構設計及制造共性技術研究

北汽集團新技術研究院以北汽某自主品牌車型車頂橫梁為依托，通過選材設計、結構設計、仿真分析、工藝試制、試驗及裝配驗證等全流程開發，開展三維編織CFRP車身結構設計及制造共性技術研究。

在設計階段，基于參數化解析模型，以質量最小為優化目標，各向剛度不低于原鈑金結構為約束條件，采用優化算法，對CFRP的編織角度、各方向纖維體積含量等參數進行優化，為選材設計、結構設計、編織工藝設計提供指導。采用仿真分析方法，對三維編織CFRP車頂橫梁及其搭載車身總成、整車的各項性能進行分析驗證，各項性能指標均優于原鈑金結構，滿足性能要求。

通過三維編織預成型和RTM固化成形工藝進行三維編織CFRP車頂橫梁的樣件制作（見圖3）。通過環境試驗、力學性能試驗、禁限用物質試驗及裝配等驗證，三維編織CFRP車頂橫梁各項指標滿足整車性能及裝配要求，且結構減重率達40%，輕量化效果顯著。

圖3 三維編織CFRP車頂橫梁樣件

結語

高昂的碳纖維原材料價格極大地限制了CFRP自身潛在優勢在汽車輕量化領域的發揮，尤其是自主品牌，由于制造成本的壓力，對CFRP的應用更為慎重。同時，在仿真技術（設計周期、仿真精度）、制造工藝（自動化、生產節拍）等方面，國內主機廠和各大供應商對于核心技術的掌握水平仍與大范圍量產應用的需求存在一定差距。

作為國內汽車自主品牌的領軍企業，北汽集團率先開展了三維編織CFRP車身結構設計及制造共性技術研究，通過對選材、設計、仿真分析、工藝試制、連接裝配、試驗驗證、成本分析等全工藝流程核心技術的探索，形成了CFRP車身結構件的全流程設計開發能力，為后續同類CFRP零部件的輕量化應用奠定技術儲備，有效推進CFRP的應用進程，滿足自主品牌車型，尤其是新能源車型的輕量化需求。隨著碳纖維原材料成本的下探和新成形工藝的不斷改進，相信CFRP在汽車節能減排方面將發揮日益重要的作用。

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