汽車輕量化用CFRP技術(shù)路徑及產(chǎn)業(yè)布局

彭釋　單永飛　梁元聰　李煒

摘 要：碳纖維復(fù)合材料（CFRP）正迅速向汽車輕量化領(lǐng)域拓展。該文總結(jié)了目前CFRP應(yīng)用于汽車輕量化的設(shè)計(jì)辦法，并針對(duì)其優(yōu)缺點(diǎn)提出了高效可行的技術(shù)路徑；同時(shí)該文分析了國(guó)內(nèi)外汽車輕量化用CFRP產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀，為加速建立全產(chǎn)業(yè)鏈提供參考。

關(guān)鍵詞：CFRP 汽車輕量化 路徑 布局

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）06（b）-0062-02

輕量化是滿足節(jié)能環(huán)保需求，保證汽車安全舒適的有效手段之一，已成為世界汽車發(fā)展的潮流和趨勢(shì)。研究顯示，汽車每減少100 kg，百公里油耗降低0.3～0.6 L，CO2排放量減少約5 g/km，0～100 km/h加速性提升8%～10%，制動(dòng)距離縮短2～7 m。汽車輕量化是設(shè)計(jì)、材料和先進(jìn)的加工成型技術(shù)的優(yōu)勢(shì)集成。文章對(duì)汽車輕量化設(shè)計(jì)的常用路徑（“積木式”和“正向設(shè)計(jì)”）進(jìn)行總結(jié)分析，提出兩者交互融合的新型路徑，并概述了國(guó)內(nèi)外汽車輕量化用CFRP產(chǎn)業(yè)布局現(xiàn)狀。

1 輕量化技術(shù)路徑

1.1 從原材料到零部件的“積木式”技術(shù)路徑

在汽車領(lǐng)域，CFRP的應(yīng)用缺乏成熟的分析方法和足夠的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，常采用從原材料到零部件的“積木式”技術(shù)路徑，又叫逆向設(shè)計(jì)。該路徑通過(guò)材料試樣、元件、組合件和部件4個(gè)層次“積木式”方法的逐步驗(yàn)證，如圖1左所示。

CFRP在汽車中應(yīng)用典型的“積木式”設(shè)計(jì)過(guò)程從選材入手，圍繞碳纖維、樹(shù)脂性能開(kāi)展，建立材料數(shù)據(jù)庫(kù)，篩選并確定設(shè)計(jì)許用值及碳纖維、樹(shù)脂基本參數(shù)；其次，進(jìn)行零部件結(jié)構(gòu)選型和細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)、工藝篩選，開(kāi)展零部件制備，進(jìn)行結(jié)構(gòu)件驗(yàn)證；最終，進(jìn)行零部件集成應(yīng)用，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)部件是否滿足結(jié)構(gòu)完整性要求。

1.2 整車開(kāi)發(fā)“正向設(shè)計(jì)”技術(shù)路徑

“正向設(shè)計(jì)”即按照設(shè)計(jì)將功能、任務(wù)分解，并逐步驗(yàn)證，是從無(wú)到有的設(shè)計(jì)，常借助計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）等關(guān)鍵技術(shù)，如圖1右所示。設(shè)計(jì)從整車CAE和Correlation入手，如：汽車車身要滿足法規(guī)和碰撞、行人保護(hù)等要求，在對(duì)整車性能要求基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的CAE分析及Correlation，進(jìn)行制造工藝仿真，完成零件CAE，然后進(jìn)行元件和典型結(jié)構(gòu)分析，最后實(shí)現(xiàn)樣件CAE仿真。目標(biāo)分解后，從樣件、元件、零件、系統(tǒng)、整車逐步驗(yàn)證性能，最終進(jìn)行試生產(chǎn)。

1.3 “積木式”與“正向設(shè)計(jì)”路徑交互融合

“積木式”設(shè)計(jì)方法從汽車零部件輕量化出發(fā)，效率高，研制周期短，但CFRP與金屬部件連接難，整車性能難控制。“正向設(shè)計(jì)”以整車為目標(biāo)，對(duì)設(shè)計(jì)能力、生產(chǎn)能力要求高，成本合理，性能可控。有效合理地將“積木式”和“正向設(shè)計(jì)”理念相互交叉融合，可加快汽車輕量化用CFRP的推廣?！罢蛟O(shè)計(jì)”可對(duì)整車設(shè)計(jì)生產(chǎn)加以宏觀指導(dǎo)，“積木式”設(shè)計(jì)對(duì)部件生產(chǎn)進(jìn)行微觀導(dǎo)向。即從整車市場(chǎng)定位、減重出發(fā)，結(jié)合批量生產(chǎn)案例，將整車重量分解以確定模塊數(shù)量，從而進(jìn)入各模塊強(qiáng)量化設(shè)計(jì)方案。由部件形貌厚度、力學(xué)性能要求等確定原材料形態(tài)、結(jié)構(gòu)，根據(jù)CAE模擬和實(shí)驗(yàn)確定工藝，經(jīng)驗(yàn)證，整車集成進(jìn)行白車身輕量化及功能性驗(yàn)證。

2 國(guó)內(nèi)外CFRP應(yīng)用于汽車輕量化的產(chǎn)業(yè)布局

2.1 國(guó)外產(chǎn)業(yè)化路徑特色鮮明

目前，世界上各大碳纖維廠家已紛紛和各大汽車公司聯(lián)手，不少甚至已形成了“碳纖維復(fù)合材料+零部件供應(yīng)商+主機(jī)廠”的產(chǎn)業(yè)化布局。

德國(guó)寶馬公司已經(jīng)率先完成了CFRP車身產(chǎn)業(yè)化工作，建成了空間跨度3國(guó)5地的工廠，實(shí)現(xiàn)了超過(guò)5 000 km的國(guó)際產(chǎn)業(yè)化布局，形成了從原絲（日本三菱）、碳絲（摩西湖碳纖維工廠）、編織布（德國(guó)瓦克斯多夫工廠）、復(fù)合材料/零部件（德國(guó)BMW藍(lán)茨胡頓工廠）到主機(jī)（BMW萊比錫工廠）的CFRP車身產(chǎn)業(yè)鏈。

此外，國(guó)外大量碳纖維、樹(shù)脂原材料企業(yè)通過(guò)創(chuàng)辦公司、簽署協(xié)議等形式開(kāi)展不同程度的合作，以加速CFRP應(yīng)用于汽車輕量化的腳步。2008年本田和日產(chǎn)與東麗聯(lián)合開(kāi)發(fā)用于汽車的新型碳素纖維材料，旨在批量生產(chǎn)比鋼鐵汽車輕40%的汽車。2011年通用與日本帝人簽署協(xié)議，雙方將聯(lián)合開(kāi)發(fā)碳纖維汽車零部件。2015年，福特與美國(guó)陶氏化學(xué)正式簽署合作協(xié)議，計(jì)劃合作開(kāi)發(fā)先進(jìn)碳纖維復(fù)合材料。2015年，福特汽車和土耳其DowAksa公司正式簽署了聯(lián)合開(kāi)發(fā)協(xié)議，雙方將共同研發(fā)低成本汽車CFRP，以減輕車身重量。

2.2 國(guó)內(nèi)產(chǎn)業(yè)化路徑初露端倪

10年前，我國(guó)汽車輕量化開(kāi)始發(fā)展，如今已形成戰(zhàn)略聯(lián)盟、聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室、投資等多種產(chǎn)業(yè)合作形式。如今，3個(gè)國(guó)家級(jí)研發(fā)平臺(tái)和兩個(gè)國(guó)家級(jí)碳纖維聯(lián)盟已成功建立。此外，為推廣汽車用復(fù)合材料零部件工程化應(yīng)用，中航復(fù)材分別與一汽、北汽聯(lián)合成立“汽車用先進(jìn)材料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室”、與北汽聯(lián)合成立“汽車用先進(jìn)材料技術(shù)中心”，與長(zhǎng)安汽車、比亞迪集團(tuán)也開(kāi)展合作。同時(shí)，康得投資集團(tuán)與德國(guó)高盛集團(tuán)就“新能源電動(dòng)汽車碳纖維車體及部件的產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目”簽署投資合作協(xié)議，近日，其跑車已順利展出，全車重量970 kg，座椅1.5 kg，尾門3.4 kg，車門4 kg。

整體而言，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)，如：長(zhǎng)城、奇瑞、北汽、東風(fēng)、比亞迪等正開(kāi)展CFRP在汽車上的應(yīng)用研究，但零部件開(kāi)發(fā)較多、整車開(kāi)發(fā)不足；概念樣車不少，量產(chǎn)車型鮮見(jiàn)，加快建立涉及先進(jìn)復(fù)合材料“材料研發(fā)—原材料生產(chǎn)—零部件制造—整車集成—回收利用”等全產(chǎn)業(yè)鏈的需求迫在眉睫。

3 汽車輕量化用CFRP產(chǎn)業(yè)布局

作為中國(guó)近代工業(yè)的發(fā)源地之一，上海在先進(jìn)制造業(yè)領(lǐng)域具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，聚集大量科研人員，擁有全球布局的研發(fā)機(jī)構(gòu)，配備了汽車輕量化產(chǎn)業(yè)布局中活躍度較高的企業(yè)，例如：金山石化、東華大學(xué)等碳纖維研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)；亨斯曼、巴斯夫、拜耳等先進(jìn)樹(shù)脂企業(yè)；晉飛新材料、賽科利、延峰彼歐等CFRP零部件制造企業(yè)；以及上汽集團(tuán)和泛亞汽車技術(shù)中心等。

為了快速推廣我國(guó)碳纖維及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展，提高我國(guó)汽車品牌影響力，打造“制造強(qiáng)國(guó)”，可由政府牽頭，加快輕量化復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)布局，優(yōu)化產(chǎn)業(yè)發(fā)展環(huán)境；由整車廠牽頭，加速建立汽車輕量化用CFRP相關(guān)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)體系；由科研院所牽頭，突破大絲束碳纖維、回收利用和低成本快速成型工藝裝備等關(guān)鍵技術(shù)。

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