彭释　单永飞　梁元聪　李炜

摘 要：碳纤维复合材料（CFRP）正迅速向汽车轻量化领域拓展。该文总结了目前CFRP应用于汽车轻量化的设计办法，并针对其优缺点提出了高效可行的技术路径；同时该文分析了国内外汽车轻量化用CFRP产业布局现状，为加速建立全产业链提供参考。

关键词：CFRP 汽车轻量化 路径 布局

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）06（b）-0062-02

轻量化是满足节能环保需求，保证汽车安全舒适的有效手段之一，已成为世界汽车发展的潮流和趋势。研究显示，汽车每减少100 kg，百公里油耗降低0.3～0.6 L，CO2排放量减少约5 g/km，0～100 km/h加速性提升8%～10%，制动距离缩短2～7 m。汽车轻量化是设计、材料和先进的加工成型技术的优势集成。文章对汽车轻量化设计的常用路径（“积木式”和“正向设计”）进行总结分析，提出两者交互融合的新型路径，并概述了国内外汽车轻量化用CFRP产业布局现状。

1 轻量化技术路径

1.1 从原材料到零部件的“积木式”技术路径

在汽车领域，CFRP的应用缺乏成熟的分析方法和足够的设计经验，常采用从原材料到零部件的“积木式”技术路径，又叫逆向设计。该路径通过材料试样、元件、组合件和部件4个层次“积木式”方法的逐步验证，如图1左所示。

CFRP在汽车中应用典型的“积木式”设计过程从选材入手，围绕碳纤维、树脂性能开展，建立材料数据库，筛选并确定设计许用值及碳纤维、树脂基本参数；其次，进行零部件结构选型和细节设计、工艺筛选，开展零部件制备，进行结构件验证；最终，进行零部件集成应用，验证结构部件是否满足结构完整性要求。

1.2 整车开发“正向设计”技术路径

“正向设计”即按照设计将功能、任务分解，并逐步验证，是从无到有的设计，常借助计算机辅助工程（CAE）等关键技术，如图1右所示。设计从整车CAE和Correlation入手，如：汽车车身要满足法规和碰撞、行人保护等要求，在对整车性能要求基础上，通过对系统的CAE分析及Correlation，进行制造工艺仿真，完成零件CAE，然后进行元件和典型结构分析，最后实现样件CAE仿真。目标分解后，从样件、元件、零件、系统、整车逐步验证性能，最终进行试生产。

1.3 “积木式”与“正向设计”路径交互融合

“积木式”设计方法从汽车零部件轻量化出发，效率高，研制周期短，但CFRP与金属部件连接难，整车性能难控制。“正向设计”以整车为目标，对设计能力、生产能力要求高，成本合理，性能可控。有效合理地将“积木式”和“正向设计”理念相互交叉融合，可加快汽车轻量化用CFRP的推广。“正向设计”可对整车设计生产加以宏观指导，“积木式”设计对部件生产进行微观导向。即从整车市场定位、减重出发，结合批量生产案例，将整车重量分解以确定模块数量，从而进入各模块强量化设计方案。由部件形貌厚度、力学性能要求等确定原材料形态、结构，根据CAE模拟和实验确定工艺，经验证，整车集成进行白车身轻量化及功能性验证。

2 国内外CFRP应用于汽车轻量化的产业布局

2.1 国外产业化路径特色鲜明

目前，世界上各大碳纤维厂家已纷纷和各大汽车公司联手，不少甚至已形成了“碳纤维复合材料+零部件供应商+主机厂”的产业化布局。

德国宝马公司已经率先完成了CFRP车身产业化工作，建成了空间跨度3国5地的工厂，实现了超过5 000 km的国际产业化布局，形成了从原丝（日本三菱）、碳丝（摩西湖碳纤维工厂）、编织布（德国瓦克斯多夫工厂）、复合材料/零部件（德国BMW蓝茨胡顿工厂）到主机（BMW莱比锡工厂）的CFRP车身产业链。

此外，国外大量碳纤维、树脂原材料企业通过创办公司、签署协议等形式开展不同程度的合作，以加速CFRP应用于汽车轻量化的脚步。2008年本田和日产与东丽联合开发用于汽车的新型碳素纤维材料，旨在批量生产比钢铁汽车轻40%的汽车。2011年通用与日本帝人签署协议，双方将联合开发碳纤维汽车零部件。2015年，福特与美国陶氏化学正式签署合作协议，计划合作开发先进碳纤维复合材料。2015年，福特汽车和土耳其DowAksa公司正式签署了联合开发协议，双方将共同研发低成本汽车CFRP，以减轻车身重量。

2.2 国内产业化路径初露端倪

10年前，我国汽车轻量化开始发展，如今已形成战略联盟、联合实验室、投资等多种产业合作形式。如今，3个国家级研发平台和两个国家级碳纤维联盟已成功建立。此外，为推广汽车用复合材料零部件工程化应用，中航复材分别与一汽、北汽联合成立“汽车用先进材料联合实验室”、与北汽联合成立“汽车用先进材料技术中心”，与长安汽车、比亚迪集团也开展合作。同时，康得投资集团与德国高盛集团就“新能源电动汽车碳纤维车体及部件的产业化项目”签署投资合作协议，近日，其跑车已顺利展出，全车重量970 kg，座椅1.5 kg，尾门3.4 kg，车门4 kg。

整体而言，国内汽车企业，如：长城、奇瑞、北汽、东风、比亚迪等正开展CFRP在汽车上的应用研究，但零部件开发较多、整车开发不足；概念样车不少，量产车型鲜见，加快建立涉及先进复合材料“材料研发—原材料生产—零部件制造—整车集成—回收利用”等全产业链的需求迫在眉睫。

3 汽车轻量化用CFRP产业布局

作为中国近代工业的发源地之一，上海在先进制造业领域具有得天独厚的优势，聚集大量科研人员，拥有全球布局的研发机构，配备了汽车轻量化产业布局中活跃度较高的企业，例如：金山石化、东华大学等碳纤维研发生产企业；亨斯曼、巴斯夫、拜耳等先进树脂企业；晋飞新材料、赛科利、延峰彼欧等CFRP零部件制造企业；以及上汽集团和泛亚汽车技术中心等。

为了快速推广我国碳纤维及相关领域的发展，提高我国汽车品牌影响力，打造“制造强国”，可由政府牵头，加快轻量化复合材料产业布局，优化产业发展环境；由整车厂牵头，加速建立汽车轻量化用CFRP相关测试标准体系；由科研院所牵头，突破大丝束碳纤维、回收利用和低成本快速成型工艺装备等关键技术。

参考文献

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