汽車復(fù)合材料輕量化技術(shù)的仿真挑戰(zhàn)

復(fù)合材料輕量化技術(shù)背景

       
在全球?qū)τ诃h(huán)境保護(hù)和不可再生能源可持續(xù)利用的認(rèn)識(shí)不斷提升的大背景下，各國紛紛制定了史無前例嚴(yán)格的燃油經(jīng)濟(jì)性和排放法規(guī)（見圖1）。美國的CAFE標(biāo)準(zhǔn)（Corporate Average Fuel Economy，企業(yè)平均油耗標(biāo)準(zhǔn)）規(guī)定汽車企業(yè)油耗在2015年達(dá)到35.5mpg，2025年達(dá)到54.5mpg（合百公里油耗23.2升）。歐盟要求到2020年乘用車的二氧化碳排放從當(dāng)前的130g/km降低到95g/km的水平。而我國的乘用車燃料消耗量第四階段標(biāo)準(zhǔn)也在2016年開始生效。

      
圖1 美國政府大幅提升企業(yè)平均油耗標(biāo)準(zhǔn)（CAFE）[1]

       
面對(duì)這些異常嚴(yán)苛的政策，國內(nèi)外車企紛紛從發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、車輪/輪胎、整車等方面加力汽車節(jié)能減排技術(shù)的研發(fā)。根據(jù)美國Aberdeen集團(tuán)的市場調(diào)研，48%的被調(diào)研企業(yè)認(rèn)為輕量化是滿足標(biāo)準(zhǔn)的首要手段也是最大難點(diǎn)，高達(dá)88%的車企則已經(jīng)開始或即將開展新材料戰(zhàn)略。
 

復(fù)合材料在汽車行業(yè)的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

       
在各種候選材料中，復(fù)合材料由于其質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、可設(shè)計(jì)性好、便于整合零部件以及其耐沖擊、腐蝕、疲勞耐久性能好，獲得了很多車企的青睞。目前汽車上的很多零部件，比如保險(xiǎn)杠、儀表板、前圍、擋泥板、行李架、備胎艙等等已經(jīng)是復(fù)合材料了。這些結(jié)構(gòu)主要是基于GMT（GlassFiber Mat Reinforced Thermoplastics，玻璃纖維增強(qiáng)塑料）、LFT（LongFiber Reinforced Thermoplastics長纖維增強(qiáng)塑料）、NMT（Natural Fiber MatRefinforced Thermoplastics天然纖維增強(qiáng)塑料）等非連續(xù)纖維增強(qiáng)熱塑性基體制成的非結(jié)構(gòu)件。受限于熱塑性樹脂自身的劣勢(shì)，比如粘性小，難于鋪貼模具；熔點(diǎn)高，熔融粘度大，加工成本高；力學(xué)性能低于類似熱固性復(fù)合材料等，如果想進(jìn)一步降低整車重量，滿足能耗排放標(biāo)準(zhǔn)，則必須借鑒航空航天工業(yè)高性能連續(xù)纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)，將其運(yùn)用到車身的主次承力構(gòu)件上。實(shí)際上，市場上的先行者，比如寶馬已經(jīng)在其i3和i8等車型上實(shí)現(xiàn)了碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為主承力構(gòu)件（如乘員艙）的批量生產(chǎn)（圖2）。

圖2 BMW i8全CFRP碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料駕駛艙

       常見承力復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)形式如圖3。整體層合板由纖維增強(qiáng)的樹脂鋪層層疊而成，根據(jù)纖維絲/束在單個(gè)鋪層中的排布主要分為單向和編織復(fù)合材料，考慮到層合板在垂直方向的力學(xué)性能，也會(huì)添加此方向的絲束形成非屈曲經(jīng)編織物?？梢灾庇^的看到，相比均一各向同性的金屬材料，復(fù)合材料的構(gòu)造取決于其基體、纖維的材料，鋪層的厚度，纖維朝向，編織方法等等，同時(shí)不同鋪層的尺寸和連接方式又決定了整個(gè)構(gòu)件的宏觀尺寸構(gòu)型和物理屬性。

圖3 常見鋪層類復(fù)合材料構(gòu)造，左起分別為單向復(fù)合材料、編織復(fù)合材料和非屈曲經(jīng)編織物
 

這種復(fù)雜的細(xì)觀結(jié)構(gòu)一方面帶來了復(fù)合材料強(qiáng)大的可設(shè)計(jì)性，另一方面從仿真的角度來講是更多材料參數(shù)，更復(fù)雜的幾何和有限元模型，不同的結(jié)構(gòu)行為和性能表現(xiàn)。為了充分理解掌握并發(fā)揮復(fù)合材料的優(yōu)勢(shì)，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的研發(fā)通常遵循搭積木式流程，亦稱測(cè)試金字塔（圖4）。具體到汽車行業(yè)，首先要對(duì)于樣件進(jìn)行材料和結(jié)構(gòu)測(cè)試，獲取基本的材料和結(jié)構(gòu)性能，由此而上，試驗(yàn)分析不同結(jié)構(gòu)形式的子部件，各級(jí)總成，最后進(jìn)行整車測(cè)試。

圖4 復(fù)合材料“積木式”研發(fā)流程

       
考慮到物理樣機(jī)的成本，每個(gè)層級(jí)都要盡量采用仿真的方法來減少測(cè)試數(shù)目，加速研發(fā)流程，降低成本。西門子根據(jù)其在歐洲三十多年的航空航天和汽車復(fù)合材料成功應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)上，提供了一整套復(fù)合材料整體解決方案，包括專注于復(fù)合材料設(shè)計(jì)制造的Fibersim軟件和Simcenter 3D復(fù)合材料結(jié)構(gòu)和成型工藝仿真軟件（圖5）。目前，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的車企正在利用這套方案來幫助來理解和分析復(fù)合材料，解決同傳統(tǒng)金屬材料完全不同的新的挑戰(zhàn)。

圖5 西門子復(fù)合材料整體解決方案

復(fù)合材料損傷分析

先進(jìn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料在生產(chǎn)和使用過程中，常會(huì)面臨同金屬材料完全不同的失效模式。金屬的斷裂通常是單個(gè)或多個(gè)裂紋在靜態(tài)和交變載荷下的形核和擴(kuò)展，但是復(fù)合材料的破壞取決于多種不同的機(jī)理：基體開裂、纖維斷裂、基體與界面的脫粘和分層，以及它們之間的耦合作用（圖6）。

圖6 復(fù)合材料不同類型的損傷機(jī)理

       
如何有效的描述這些損傷行為對(duì)于結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的破壞并最終預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的整體性能呢? 西門子通過與歐洲領(lǐng)先的航空航天企業(yè)和研究所合作，成功的開發(fā)了多個(gè)針對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)仿真的材料法則與失效模型，并將其植入到了Simcenter 3D軟件中。通過與大量實(shí)驗(yàn)的對(duì)比證明了這些模型的準(zhǔn)確性。

       
目前，日本本田汽車已在西門子的幫助下進(jìn)行相關(guān)的預(yù)研工作[3]。項(xiàng)目初期的目標(biāo)是調(diào)研不同候選材料的材料參數(shù)，包括傳統(tǒng)工程力學(xué)參數(shù)和影響損傷行為的參數(shù)，然后建立材料損傷模型。在這個(gè)過程中，西門子幫助開發(fā)了材料測(cè)試方案、進(jìn)行了虛擬仿真測(cè)試和搭建了最終的材料模型（圖7）。

圖7 本田基于西門子復(fù)合材料仿真解決方案的材料參數(shù)識(shí)別流程

       
在第二階段，運(yùn)用已獲取的材料參數(shù)和損傷模型，利用Simcenter 3D預(yù)測(cè)了部件級(jí)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的損傷行為（圖8）和低能量沖擊行為（圖9）[4]。

圖8 本田基于西門子Simcenter3D平臺(tái)的損傷分析

 圖9 本田基于西門子Simcenter3D平臺(tái)的低能量沖擊仿真同試驗(yàn)的對(duì)比

復(fù)合材料疲勞分析

同金屬材料不同，復(fù)合材料的疲勞行為并不總是由一個(gè)宏觀裂紋的生成和擴(kuò)展導(dǎo)致的，由于其物理屬性是非均勻和各向異性的，它通常是以整體的方式累積損傷。對(duì)于目前在汽車上應(yīng)用的非連續(xù)纖維復(fù)合材料，它依然可以沿用對(duì)于金屬材料分析的常用方法（例如S-N曲線法），它的計(jì)算效率比較高且可用于復(fù)雜的載荷工況，但是這種方法并不能考慮復(fù)合材料由于漸進(jìn)損傷行為帶來的剛度衰減和以及鋪層破壞之后的應(yīng)力重分布，且不能考慮疲勞損傷的相互影響和多軸問題，最后，由于S-N曲線的測(cè)量取決予鋪層結(jié)構(gòu)，如果我們有多種候選材料方案，則必須進(jìn)行多次測(cè)量獲取多條曲線，這樣會(huì)大大增加試驗(yàn)的成本和研發(fā)的進(jìn)度。

如果將來我們需要將連續(xù)纖維復(fù)合材料大量應(yīng)用到車身上去，則必須提出一種新的疲勞分析方法。西門子同比利時(shí)根特大學(xué)的科研人員合作，共同在Simcenter 3D平臺(tái)中開發(fā)了一套基于周期跳變法的疲勞分析算法，其結(jié)合了基于有限元的損傷分析和傳統(tǒng)疲勞分析的優(yōu)勢(shì)，兼顧了效率同精度，能夠真實(shí)的反應(yīng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的剛度衰減和應(yīng)力重分布（圖10）。目前，日本本田正在采用此套方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞方面的研發(fā)。

   圖10 西門子Simcenter 3D連續(xù)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的疲勞分析方案

  

總結(jié)與展望 

相對(duì)于先進(jìn)復(fù)合材料在航空行業(yè)的成功應(yīng)用，汽車行業(yè)的復(fù)合材料才剛剛起步，也面臨著很多困難。首先為了滿足每年10萬輛汽車和高達(dá)上百萬件復(fù)合材料構(gòu)件的產(chǎn)能，我們似乎還沒有尋找到成熟的材料和工藝手段。其次，高性能復(fù)合材料的成本通常不菲，其原材料，包括碳纖維、芳綸和高性能樹脂，價(jià)格居高不下，生產(chǎn)設(shè)備的投入和使用費(fèi)用也很高昂，最后如何回收快速高效低成本的回收高性能復(fù)合材料也是一個(gè)懸而未決的問題。

雖然如此，輕量化是未來大勢(shì)所趨，西門子將同各方面的專家和汽車制造商一起努力，提供更好的復(fù)合材料解決方案，引領(lǐng)行業(yè)前進(jìn)。

參考：

[1] http://www.whitehouse.gov/sites/default/files/fuel_economy_report.pdf

[2] 賀光玉，向宇先進(jìn)復(fù)合材料在汽車工業(yè)中的應(yīng)用[期刊論文]-2013

[3] “Validation of material models for interand intra-laminar damage in laminated composites”, Bruyneel et al., ASC 29thTechnical Conference, USA, 2014.

[4]“Strength Calculation of Composite Materialconsidering multiple progress of failure by Ladaveze model”, Y.Urushiyama, T.Naito, JSAE Spring Conference, 2014 52 05