大众汽车基于复合材料的汽车轻量化设计技术

在汽车研发的领域，轻量化设计早已成为整车产品开发的主要潮流。轻量化设计，意味着更少的材料使用，更轻的车身重量，更少的CO2排放。归功于使用轻量化设计技术获得的新一代车身，汽车成本效率得到了大幅度的提升，同时车辆的可操控性也显著增强。通常，在这一领域，新材料的应用是创新设计的主要源泉。近些年来，使用铝制零部件取代传统的钢制零部件，为汽车企业节约了大量的材料。但是寻找质量更轻，性能更好的材料的研究始终没有停止。在最新的研究成果中，复合材料已经在汽车零部件轻量化设计中崭露头角。但是直到最近，复合材料的应用仍然局限于汽车的非承重零部件和非安全相关零部件。今天，越来越多的汽车厂商开始对复合材料在承重零部件上的应用的可行性进行探索。因为复合材料的固有特性与金属材料有很大不同，因此需要一套全新的产品开发流程。大众汽车研究中心近期开展了一项研究，其核心目标是在传统的B-柱设计中引入复合材料材质，以期在合理的制造成本内，获得质量更轻，性能更好的B-柱设计方案。这个项目是与Altair公司产品咨询团队（Altair ProductDesign）合作并运用HyperWorks软件完成的。

关于大众

总部位于德国沃尔夫斯堡的大众汽车是世界第三大汽车整车集团。目前，该集团雇员有40万人，每天生产汽车将近3万辆。大众汽车广销全球150多个国家。

解决方案

大众汽车复合材料优化设计

大众汽车对复合材料在汽车承重零部件中的应用起始于某铝制B-柱结构。该部件使用额外的钢制及铝制零部件进行了加强。大众汽车和Altair ProductDesign的工程师对在该零部件上使用复合材料替代铝材料以获得质量更轻的设计方案展开了研究。为了对比验证新的设计方案与原有方案在质量及性能上的差别，工程师选择了一款已有的B-柱零部件（Audi A8,D3）作为基础设计。对于所选定的模型，工程师们基于其工程经验、产品性能数据以及CAD数据，作为其新产品设计的依据。基于以上的知识，工程师们开始探索是否可以在原有设计的基础上，设计出一款使用全复合材料制成的全新设计方案，并在产品性能、可加工性、重量和成本上与原始B-柱设计方案相比具有一定的竞争力。该工作的核心内容是定义出一套全新的、具有高可靠性和高效率的开发流程，可以用于各类复合材料零部件的研发工作，并可以通过仿真手段，对设计结果进行验证。原有铝制结构上的载荷工况被新的测试程序继承，针对B-柱结构，包括静态车顶挤压、座椅安全带固定装置实验以及IIHS侧面碰撞工况。

在汽车承重零部件复合材料优化设计中，面临的挑战包括高度的非线性行为（大变形、接触、结构失效）以及大量的设计变量（拓扑结构、复合材料铺层数量、铺层角度等）。通常，需要使用非线性材料模型以获得精确的数值模拟结果。但是在复合材料优化设计中，设计变量的总量是非常惊人的，这导致如果同时使用严格的非线性材料模型，会导致求解时间过长，并导致工程师对已有设计方案进行更新并验算的周期变得无法接受。因此，工程师需要寻找某些替代的方法，以降低数值模拟问题的复杂程度。

在设计的早期阶段，如果同时需要考虑大量的设计变量，那么可以选择较为简单的材料模型或直接使用线性材料模型，即可完成基本的分析。在设计的后期阶段，当通过筛选设计，设计变量的总量已经较少时，可以使用复杂的非线性材料模型，以期获得更为精确的数值模拟结果和B-柱性能数据。

战略发展产品研发策略

基于以上考虑，大众汽车研究中心决定在B-柱结构优化设计中采用两步优化的策略：即概念设计阶段优化和细节设计阶段优化（图1）。

在概念设计阶段，工程师们采用线性材料，首先对B-柱结构进行拓扑优化，以获取该零件基本性能的信息，并对传力路径以及复合材料铺层角度进行判断。此外，拓扑优化阶段的结果还可以为后续该结构加强肋的排布方案给出参考性意见。经过拓扑优化后，基本确定该B-柱材料空间分布形式及加强肋安装位置（上下连接点及结构中点处，图2）。

鉴于以上结论，可得出复合材料优化技术是通过有限元概念模型入手进行研究。复合材料优化设计技术在汽车行业和航空航天行业有着类似的应用，但航空航天领域工程师通常是进行线性材料模型分析，汽车行业工程师在产品研发的后期必须进行非线性分析，如对B-柱结构的非线性性能进行研究。这一优化设计阶段，其优点是：不仅对B-柱线性材料物理分析进行控制，还能解答相关于复合材料的一些通用问题。

优化流程

碳纤维复合材料优化包含三个主要的环节：在自由尺寸优化（Free Size Optimization）阶段，工程师们确定在各个零部件中，碳纤维层合板中所需的铺成部分；在随后进行的尺寸优化阶段中确定所需进行铺层层数；在最终设计阶段，最终的复合材料铺层堆叠方式由铺层层叠次序优化确定。

在自由尺寸优化阶段，大众汽车工程师使用OptiStruct作为优化工具，以确定在各个零部件中，碳纤维层合板铺层中所必须的铺层方向。此外，应用自由尺寸优化技术获得的结果还可以确定零件需要性能加强的位置以及这些加强结构的作用范围是零件的整体（加强结构遍布零件全局）还是局部（加强结构仅对结构部分区域起作用）。

得出结果（图3）显示出B-柱在优化后各纤维角度下(0°, 45°, 90°, -45°)的载荷和压力分布。鉴于以上优化结果及其对于产品生产流程的考虑，工程师对个各零部件进行阐述说明，从而为具体的零件分发提供依据。随后，大众工程师再次利用OptiStruct对B-柱进行参数优化设计，其目标得出在B-柱各角度铺层所需铺层数(图4)。

后续优化阶段，零件分发结构将由参数优化而定，同时，也能减少使用零件数量。工程师们致力于通过现代优化设计方法，最终获得质量更轻、铺层更复杂但同时易于加工的复合材料铺层设计方案。组件的静态刚度性应尽可能保持。通过复合材料优化设计得到的B-柱设计方案与原始金属材质方案相比具有接近的刚度，但是重量减轻了40%。(图5).对于最初可行性优化研究，工程师还需进行部分操作如加强肋等，再考虑到成本和制造因素，只需建立一个简化模型作为原型（图6）进行分析。

如图7所示，通过复合材料优化设计得到的B-柱设计方案与原始金属材质方案相比具有相近的刚度，但重量减轻了约40%。纤维复合材料具备最佳的吸能能力，通常比金属材质轻30%重量的纤维复合材料可多吸能高达25%。但是分析结果表明复合材料的B-柱结构的变形增加了30%，这不符合车体B-柱的设计要求。因此，最有效的设计方法，是在B-柱结构中加入加强肋结构，尽管这在一定程度上会弱化一些复合材料在重量上的优势，但总的减重效果依然明显。

结论

最终，基于复合材料的汽车轻量化设计技术这一项目研究目标获得了一些成果。但是大众至今还不能生产出即能明显减重又能满足高性能测试要求的复合材料B-柱结构。这是由于：由玻璃纤维材料所制成的B-柱在重量上所带来的优势，也被加强肋的嵌入有所抵消；同时，对于加工工艺也有一定的难度，工程师也尚未研究出具有加工性的新型复合材料结构。

然而，建立一个在满足减重30%前提下，与原始金属材质方案相比具有接近的应力水平的零件结构还是可行的。该项目最初目标是：研究纤维复合材料材质的承载结构的研发流程。在B-柱结构优化设计中所采用的两步优化（即概念设计阶段优化和细节设计阶段优化）策略，不仅有助于减少参数数量，也对针对特殊用途进行微调的参数有参考性作用；这是一种不仅将整个流程分割为概念设计阶段和细节设计阶段，也能让工程师工作时拥有更好质量的结果和非线性参数的方法。在未来类似项目中，为使工程师所研究出的结果（即碰撞测试）规范化，微调阶段中非线性参数的使用将会强制作为唯一参数标准。大众汽车集团，特别是位于德国内卡苏尔姆（Neckarsulm）的Audi汽车减重中心，在汽车开发过程过程中已将纤维复合材料用于多项研究活动。由大众研究中心所开发出的优化技术方案已被Audi工程师应用于实际，今后，大众汽车将对开发流程作进一步调整。基于汽车整车厂与Altair公司的合作，及对于研发流程的调整，这将会大大提高业内在更多汽车部件设计中使用纤维复合材料的可能性。