碳纤维复合材料控制臂的轻量化设计与验证
碳纤维复合材料车身轻量化设计成型工艺研究
碳纤维复合材料车身轻量化设计成型工艺研究摘要：本文从碳纤维复合材料车身轻量化研究意义和应用着手，以碳纤维复合材料引擎盖为例，重点阐述碳纤维复合材料车身覆盖件成型工艺RTM树脂充模仿真流程和充模过程的影响因素。
关键词：碳纤维复合材料；车身轻量化；树脂传递模塑成型一、碳纤维复合材料车身轻量化研究意义2021年我国汽车产销量2800万辆，汽车保有量达2.17亿辆，燃油消耗、排放逐年递增。
国家?节能与新能源汽车产业开展规划〔2021—2021年〕?【1】规划到2021年乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/百公里，节能型乘用车燃料消耗以下。
根据世界铝业协会的统计标准，整车质量每减轻10%，百公里油耗减少6%8%，排放降低5%6%。
节能减排是汽车工业亟需解决的问题。
车身轻量化是目前节能减排较为有效的方法。
目前汽车零部件轻量化材料碳纤维复合材料具有高性能强度、耐磨、隔热和耐腐蚀等的优点，采用高性能碳纤维复合材料代替局部现有金属材料可以实现车身轻量化。
二、碳纤维复合材料在车身上的应用宝马BMWi3是最先将碳纤维复合材料应用在车身上的车型，BMWi3的坐舱和局部车身覆盖件是用碳纤维复合材料制成的，采用碳纤维复合材料后整车质量降为1.25吨。
2021年，宝马公司推出碳车身宝马7系，其B柱、C柱、中央通道、门梁和车顶棚梁等车身覆盖件均使用碳纤维复合材料，驾驶室扭转刚度性能提升，整车质量下降。
艾瑞泽7s是奇瑞公司和宁波材料技术与工程研究所共同研发的一款插电式混合动力汽车，艾瑞泽7s的引擎盖、门梁等车身覆盖件采用碳纤维复合材料，车身质量减轻40%60%，油耗减少约7%，这正是该车亮点和卖点。
2021年，特斯拉Roadster电动跑车，采用碳纤维复合材料车身后整车重量只有920公斤，与使用其他轻量化材料的汽车相比，质量更轻，加速性能、操控性能和环保性能更好。
三、碳纤维复合材料车身覆盖件成型工艺目前碳纤维复合材料成型工艺主要有手糊成型、拉挤成型、热压罐成型、模压成型和树脂传递模塑成型〔RTM〕等工艺。
轿车悬架控制臂参数化建模及轻量化多目标优化设计
轿车悬架控制臂参数化建模及轻量化多目标优化设计车辆悬架是车辆重要的组成部分之一，直接关系到车辆的行驶性能和舒适性。
悬架控制臂作为悬架系统的重要部件，其参数设计对车辆的转向稳定性、抗疲劳能力、通过性等方面有着很大影响。
为了提高轿车的性能与可靠性，轿车悬架控制臂的参数化建模和轻量化多目标优化设计是必不可少的步骤。
首先，对于轿车悬架控制臂参数化建模，可以采用CAD建模软件进行完成。
具体的建模过程包括坐标系的设定、几何图形的建立及参数的提取等。
在建模时需考虑到悬架控制臂的结构特点以及设计要求，以确保建模结果准确可靠。
其次，针对轿车悬架控制臂的轻量化优化设计，可以采用拓扑优化技术。
具体做法是在前提满足轿车行驶稳定性的基础上，利用有限元分析软件对悬架控制臂进行力学仿真分析，获得载荷作用下的最大应力集中区域。
然后，设置拓扑域和拓扑分区，减少结构材料的使用量，同时保证结构刚度和强度要求。
最后再基于多目标优化理论，考虑在轿车悬架控制臂轻量化的基础上进一步优化转向稳定性和驾驶舒适性等方面的性能。
最后，轿车悬架控制臂参数化建模与轻量化多目标优化设计的实施，可以达到节省材料、减轻车重、提升性能和降低油耗等多重优势。
同时还可以有效控制车辆成本，提高车辆的市场竞争力。
因此，在轿车悬架系统的设计中，参数化建模与轻量化多目标优化设计的应用越来越受到车辆制造业和悬架系统制造公司的重视和推广。
在进行轿车悬架控制臂参数化建模和轻量化多目标优化设计时，还需要考虑一些关键因素。
首先需要考虑的是材料选择与性能设计。
轿车悬架控制臂所使用的材料不仅需要满足强度、刚度等基本要求，同时还需考虑其重量、成本等因素。
因此，在进行参数化建模和轻量化多目标优化设计时，需要根据材料的特性和特点进行合理的材料选择。
其次，在选定适当的材料后，需要进一步考虑材料的加工工艺以及成本等方面的因素。
针对这些因素，需要通过多方面的分析，优化材料性能与成本，以达到最优的效果。
纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体轻量化设计铺层问题分析
纯电动汽车碳纤维复合材料电池箱体轻量化设计铺层问题分析【摘要】随着能源危机日益突出，世界各国大力发展电动汽车。
电动汽车续航里程饱受诟病，通过轻量化设计提高续航里程是高效的技术手段，复合材料应用于汽车轻量化设计可有效提高轻量化水平。
电池箱对整车安全性，舒适性等直接影响。
为解决碳纤维复合材料电池箱体轻量化铺层设计问题，采用T300/5244复合材料，利用OPtiStruct通过尺寸优化得到最佳铺层分布方案。
采用对称式布置形式减少面内力影响。
得到最佳铺层顺序，满足相关工况要求下，提高汽车刚度减轻重量。
充分发挥复合材料比强度高等优点。
【关键词】电动汽车；碳纤维复合材料；电池箱体铺层；轻量化设计当前我国汽车保有量处于世界前列，促进人们生活水平的提高，同时带来能源消耗等系列问题。
随着人们环保意识增强，很多国家法公布禁售燃油汽车时间节点。
政府对我国汽车发展方向进行政策引导，鼓励企业公关新能源技术。
传统汽车排放与系统效率低等密切相关，提高汽车燃油排放水平有效方式是进行结构轻量化设计。
汽车车身重量导致燃油消耗占总量的70%，整车质量减少100kg百公里燃油量可减少0.3-0.6L。
对电动箱进行轻量化设计对提高动力系统比能量具有重要意义。
碳纤维增强复合材料具有刚度大等优点，本文对碳纤维结构电池箱进行铺层设计，实现轻量化目标。
1.电动汽车电池箱体轻量化设计研究电动汽车主要动力源是配置动力电池包，电机得到电能运转带动汽车行驶，当前石油能源匮乏，电动汽车等清洁能源汽车快速发展。
我国成为全球电动汽车销量最大的国家。
近年来我国电动汽车产业迅速发展，由于政府加大对电动汽车行业投资，汽车领域新材料迅速发展。
如树脂基纤维增强复合材料应用于制造相关汽车零部件，实现汽车轻量化。
汽车轻量化是通过合理结构设计，改变制造工艺方式等减轻汽车重量，提高整体性能。
电动汽车电池包是汽车的动力心脏，由电池箱体、BMS控制器等关联构成，电池箱体装载电池模组。
碳纤维复合材料防撞梁轻量化设计
１２ 模型验证
采用 ＬＳＤＹＮＡ软件对保险杠防撞梁进行碰撞
仿真，并与实车碰撞变形、经验变形过程进行对比， 以验证模型准确性。对于仿真条件［５］：防撞梁的高
速碰撞仿真主要依据 ＣＮＣＡＰ规定，而其低速碰撞
仿真主要遵循 ＧＢ１７３５４—１９９８《汽车前后端保护装
置的规定》进行仿真。
１２１ 高速正撞仿真验证
［摘要］ 为某车型设计了碳纤维复合材料防撞梁，建立了其有限元分析模型，并用传统钢制防撞梁碰撞试验 与仿真结果对比验证了模型准确性。然后采用全因子实验设计确定其横截面形状与铺层顺序的最优组合，最后应 用 ＮＳＧＡⅡ遗传算法对防撞梁结构铺层厚度进行了多目标优化。结果表明，在其碰撞性能提高的基础上，轻量效果 达到将近 ６５％，且优化后的防撞梁结构与吸能盒和前纵梁结构连接后，在高速碰撞过程中变形模式更合理。
壳单元，网格单元尺寸 １０ｍｍ；部件之间的焊点采用
Ｂｅａｍ单元。汽车前端结构有限元碰撞仿真模型如
图 １所示，模型共有 ２４７８８个节点，２８８６２个单元。
碰撞器材料设置为 ２０号刚体材料模型，弹性模量、
密度和泊松比采用钢的性能参数；高速碰撞时前端
结构变形体采用 ２４号材料，低速碰撞时防撞梁采用
低合金高强度冷轧钢，厚度 １ｍｍ。
材料的防撞梁进行拓扑和尺寸形状优化。刘等［４］ 分析了碳纤维材料用于新能源乘用车车身的生产工 艺、连接技术及其经济性。
本文中针 对 某 车 型 的 碳 纤 维 复 合 材 料 的 防 撞 梁，首先对其建立有限元模型并进行碳纤维结构铺 层、厚度、截面的设计，之后对厚度进行多目标优化 实现防撞梁结构的轻量化。
陈静，等：碳纤维复合材料防撞梁轻量化设计
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１１ 模型搭建
【轻量化】结构化和轻量化碳纤维增强热塑性复合材料制备和成型
H=8.0mm
30
L=0.8-1.3m
Drilling and bonding
趋势五:金属+碳纤维复合材料材料成 型和集成（材尽其用）
铝+碳纤维复合材料车轮
铝+碳纤维复合材料车轮： British wheel manufacturer Dymag
(Chippenham, Wiltshire, UK)
钢芯+碳纤/玻纤/环氧树脂汽车支撑杆，德国戴勒姆公司和梅德赛斯。 相较于传统钢支柱，CFRP为支柱轻量化提供了新机会，既能满足力热
性能要求，又能保持合适的经济性。
Steel core
Aluminum connector
Hybrid composite strut bar
Strut pair
目标：
汽车轻量化部件低成本制造、高强度和高刚度；改善汽车操控性能。
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碳/玻混杂复合材料
材料结构：
碳纤维：高纤维含量，连续纤维，满足支柱对力学性能的 要求； 环氧树脂：耐高温，以满足成型、温度和成本方面的要求； 玻璃纤维：一方面解决碳纤维与相关连接金属材料的电腐蚀问题以及降
低外来高速石块对其产生的冲击损伤，另一方面可以降低材料成本； 钢芯：0.8-1.2mm，既可以增加支柱的延性碰撞行为，又便于提供新的低
热塑性碳纤维预浸体片材红外加热——热成型（forming）成三维形状— —注塑包胶（backmoulding or over molding）——激光裁剪。
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碳纤维复合材料+注塑成型
Overmolding
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趋势三:多工艺、多材料成型和集成 （ 宝马I3到宝马7，江森自控的启示）
宝马碳纤维车身材料构成与复合材料成型工艺
碳纤维复合材料（CFRP）在汽车轻量化中的应用
碳纤维复合材料（CFRP）在汽车轻量化中的应用作者：孙少杰来源：《粘接》2022年第07期摘要：针对传统汽车在制造过程中存在的高油耗、质量大、安全性低等问题，采用将碳纤维复合材料（CFRP）应用于汽车零部件制造过程的方式，并结合计算机辅助工程（CAE）对汽车进行结构优化，可有效根据汽车的不同结构及用途灵活的对产品进行设计及加工成型，有利于最大限度的减轻汽车整体质量，利用碳纤维复合材料超高的自身频率及吸收震动能量，使该材料的震动阻尼系数不断增高，在汽车遭受冲击时，碳纤维复合材料可有效吸收冲击能量，提高驾驶人员的安全性。
将该材料应用于汽车生产领域，可实现降低油耗、减少排放的目的。
关键词：碳纤维复合材料;CFRP;汽车轻量化;发展趋势中图分类号：TQ342+.742 文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2022）07-0076-04Application of Carbon Fiber Reinforced Polymer （CFRP）in automotive lightweightSUN Shaojie（School of Automotive Engineer， Shanxi College of Communication Technology， Xi'an 710018， China）Abstract：In view of conventional cars in the manufacturing process of high fuel consumption，low quality， safety problem， Carbon Fiber Reinforced Polymer （CFRP） was applied to auto parts manufacturing process， and connecting with the Computer Aided Engineering （CAE） for structural optimization about cars， which can effectively design and proceed according to thedifferent structure and usage with flexibility of the car. It is beneficial to reduce the overall mass of the car to the maximum extent. The vibration damping coefficient of the material is continuously increased by using the super high frequency of the carbon fiber composite material and absorption of vibration energy. When the car is impacted， the carbon fiber composite material can effectively absorb the impact energy and improve the safety of the driver. The application of the material in automobile production canreach the aim of reducing fuel consumption and emissions.Key words：carbon fiber composites; CFRP; automotive lightweight; development trend隨着我国经济的不断发展，汽车工业领域的规模越来越大，人们对于汽车的需求也越来越高。
汽车碳纤维复合材料前车门轻量化设计与分析
汽车碳纤维复合材料前车门轻量化设计与分析摘要：对碳纤维复合材料力学性能及结构设计要求进行简单论述，以汽车前车门为研究对象进行碳纤维结构设计及铺层形式进行研究。
经仿真分析，碳纤维前车门的模态、刚度、强度、碰撞侵入量和速度均得到了明显的提升，并且重量降低了54.94%。
引言汽车轻量化作为有效的节能和环保措施，在未来十年来成为汽车行业大力发展的趋势，其中碳纤维复合材料在轻量化上有极大的优势将作为节能和新能源汽车领域的重要发展方向。
1 碳纤维复合材料力学性能新材料碳纤维具有优异的力学性能，较高比重、强度和模量，在满足相同性能下，具有较大的减重空间，同时也可减少装配零件数量。
在碳纤维结构分析中，定义任一层压板的力学性能，都能表示成等价的均匀各项异性板元或壳元，运用层压板的中面应变和曲率理论确定各层的应力。
2 碳纤维复合材料汽车前车门设计碳纤维复合材料在汽车车门中已开始应用，通过结构设计和铺层优化在满足性能和装配的前提下可实现车门大幅减重。
技术方案为内外板集成部分零件，简化结构特征，取消工艺孔，实现减重目的。
2.1 碳纤维复合材料前车门外板设计整合前车门外板总成，外板A面和周边配接的安装孔不变，外层织物单层厚度0.21mm，其余单向带单层厚度0.145mm。
遵循铺覆对称，外板铺层±45°，成对出现，单层数不超总层数60%原则。
主外板铺层为[±45/45/0/-45/90/-45/0/45]；门把手处铺层为[±45/45//-45//-45//45]；周边密封处铺层为[±45/45///90///45]，如图1 所示。
图1 复合材料内板设计2.2 碳纤维复合材料前车门内板设计碳纤维复合材料车门内板主厚度为2mm，在卡扣接面、门锁安装面等处减薄；保留定位孔、安装孔、过孔、安装面不变；内板与外板胶粘处增厚处理；简化内板结构，优化铺覆性；门锁、铰链和限位器加强板集成到内板一体成型；复材窗框加强板胶粘内板。
【技术帖】汽车用碳纤维复合材料的结构设计与加工工艺
【技术帖】汽车⽤碳纤维复合材料的结构设计与加⼯⼯艺摘要：相⽐于传统铝合⾦、⾼强钢和玻纤复合材料等材料，碳纤维复合材料减重效果和强度优势更加明显。
在国内市场，虽然已有部分展车实现碳纤维复合材料在汽车车⾝局部及⼀些零部件上的应⽤，但⽬前尚处于样车、样件及研制品的阶段。
如何开发出适⽤于汽车量产⼯艺和制造节拍的加⼯及连接⼯艺，同时降低制造成本，仍然是国内碳纤维复合材料在量产汽车领域应⽤的重⼤难点。
本⽂介绍了碳纤维的各向异性与复合材料设计⽅法、加⼯⼯艺及多材料连接⼯艺的⽅法。
关键词：汽车轻量化碳纤维复合材料结构设计加⼯⼯艺连接⼯艺1 前⾔根据《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020年）》的要求：截⾄2020年，乘⽤车平均油耗需降⾄5.0升/百公⾥，节能型乘⽤车油耗不得⾼于4.5L。
有研究数据表明，传统能源汽车车⾝⾃重消耗了约70%的燃油，如果整车重量减轻10%，油耗可降低6%-8%。
电动汽车⽅⾯，由于动⼒电池容量有限，续航⾥程成为其⼴泛推⼴的⼀⼤瓶颈因素。
因此，电动汽车对车⾝减重的需求更为紧迫。
由此可见，在国家政策法规的驱动及激烈的市场竞争环境下，车⾝轻量化设计已是汽车发展的必然趋势。
车⾝减重设计可通过三个维度实现：结构优化设计、采⽤先进制造⼯艺和新型轻量化材料。
汽车结构设计已经历了⼀百多年的经验累积，通过结构优化进⾏减重的空间已⼗分有限。
先进制造⼯艺包含液压成型、激光焊接等。
新型轻量化材料包括⾼强钢、铝合⾦、镁合⾦、以及⾼性能⼯程塑料和玻纤、碳纤维复合材料等。
根据英国材料系统实验室的研究结果，相对于其他新型材料，碳纤维复合材料车⾝的减重效果最显著；与传统钢材车⾝相⽐，采⽤碳纤维复合材料的车⾝可减重⼀半以上。
碳纤维复合材料不仅具有质轻⾼强的优势、同时具有良好的可设计性。
⽽且，复合材料可以⼀体化成型，⼤幅减少了零部件和紧固件数量；此外，碳纤维复合材料应⽤于汽车车⾝，能够提⾼碰撞吸能性、减振性和抗疲劳性。