基于碳纖維復(fù)合材料電動汽車輕量化設(shè)計(jì)開發(fā)與測試評價(jià)

復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)研發(fā)實(shí)踐1、復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)輕量化思考2碳纖維前艙蓋總成研發(fā)及性能測試3提

綱2復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)研發(fā)實(shí)踐1、復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)輕量化思考2碳纖維前艙蓋總成研發(fā)及性能測試3提

綱3輕量化最有效的技術(shù)—復(fù)合材料低密度1.5（鋁2.7，鋼7.8）高的比強(qiáng)度（鋼的7-8倍，鋁的3-4倍）、比剛度；（鋼和鋁的2-3倍）；高的比模量優(yōu)異的疲勞性能；優(yōu)異的耐環(huán)境性能；航空航空航天材料；結(jié)構(gòu)用量超50%。汽車用復(fù)合材料預(yù)測眾多汽車應(yīng)用表明：與鋼結(jié)構(gòu)相比，可減重40-50%；與鋁結(jié)構(gòu)相比，可減重20-30%寶馬i3電動車采用全部碳纖維復(fù)合材料車身，車身質(zhì)量僅為180kg，整備質(zhì)量為1270kg左右，比同尺寸的電動車輕300kg以上。復(fù)合材料用于汽車結(jié)構(gòu)的約束條件輕量化性能成本環(huán)保效率低成本材料(或低工藝成本材料)低成本快速成型工藝快節(jié)拍生產(chǎn)集成技術(shù)一體化產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)可回收材料及材料回收技術(shù)需突破的關(guān)鍵技術(shù)輕量化性能成本環(huán)保效率需突破的理念和方法設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)材料設(shè)計(jì)工藝材料生產(chǎn)材料設(shè)計(jì)工藝生產(chǎn)金屬材料應(yīng)用復(fù)合材料應(yīng)用分合復(fù)合材料汽車輕量化應(yīng)用適用范圍和路徑系統(tǒng)或總成質(zhì)量占比（%）輕量化優(yōu)先級國內(nèi)復(fù)材件批產(chǎn)上市時(shí)間預(yù)測內(nèi)外飾211已上市四門兩蓋422017—2020白車身2732020—2025底盤2042025以后動力與傳動2252025以后其他6注：優(yōu)先級依據(jù)，1級難度最低，風(fēng)險(xiǎn)最?。?級難度最大，風(fēng)險(xiǎn)最大不同車輕量化增加成本市場接受度分析A型燃油車33很難接受除非有顛覆性技術(shù)突破或原材料大幅降價(jià)B型燃油車20較難接受C型燃油車18可接受新能源車17可接受低成本材料技術(shù)路線605025151002040608020002005201020152020CF

price($/Kg)降能耗：設(shè)備升級提“束”：48

或50K提“速”：10倍以上實(shí)現(xiàn)途徑：兩提一降低成本材料低成本材料技術(shù)路線12030105114012010080604020020002005201020152020Resin

curing

time(min)Resin:Epoxy,PUGOAL:

1min

asmatal-stamping低成本材料快速固化熱固性樹脂11適合多元化工藝和配套材料UnreinforedShort

fiberSMClong

fiber Discont.

matLFT

RTM

GMTcont.

fabric

UD-layupRTM

WP

Prepreg/layup依性能要求和加工難度選擇相應(yīng)的制造工藝性能易加工制造技術(shù)多元化各種加工工藝的使用范圍制品制造自動化連續(xù)SMC連續(xù)LFT連續(xù)自動化RTM自動下料-鋪放-快速PM汽車復(fù)材應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念“黑金屬”等代設(shè)計(jì)一般為剛度等代；（準(zhǔn)）各向同性材料剛度與鋁合金相當(dāng)，僅發(fā)揮了復(fù)材的低密度優(yōu)勢，除非改變結(jié)構(gòu)形式；各項(xiàng)異性的高強(qiáng)度特點(diǎn)未發(fā)揮作用；汽車車身復(fù)材應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念基于功能模塊和應(yīng)力分解的“板”式設(shè)計(jì)；life

模塊為非主承載結(jié)構(gòu)，發(fā)揮了碳纖維復(fù)材的剛度、強(qiáng)度優(yōu)勢；減重效果較好；成本較高、生產(chǎn)線投資很大；汽車車身復(fù)材應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念基于整車局部應(yīng)力分解的混雜材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；充分發(fā)揮了復(fù)合材料各向異性和高強(qiáng)度的特性；但整車減重幅度有限。BMW

7

系的碳纖維-高強(qiáng)鋼-鋁合金車身結(jié)構(gòu)汽車復(fù)材應(yīng)用的設(shè)計(jì)理念基于整車應(yīng)力分析的復(fù)材框架結(jié)構(gòu)（全承載）設(shè)計(jì)；充分發(fā)揮復(fù)材剛度、輕度和各項(xiàng)異性的優(yōu)勢，減重效率很高。采用自動化編織/RTM成型梁件，整體膠接成框架，制造效率高；生產(chǎn)線投資較??；ACC-FAR中心正在推廣此新設(shè)計(jì)理念和技術(shù)復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)輕量化思考、復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)研發(fā)實(shí)踐12碳纖維前艙蓋總成研發(fā)及性能測試3提

綱18汽車零部件設(shè)計(jì)/材料和制造能力客戶要求項(xiàng)目立項(xiàng)策劃設(shè)計(jì)輸入選材及工藝試驗(yàn)初步結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度計(jì)算工藝方案詳細(xì)設(shè)計(jì)工藝成型試驗(yàn)首件試制試驗(yàn)驗(yàn)證產(chǎn)品確認(rèn)研發(fā)過程介紹汽車零部件設(shè)計(jì)/材料和制造能力CAD工具：CatiaCAE工具：Ansys,Nastron,Patron,fibersim材料數(shù)據(jù)庫仿真技術(shù)中心汽車零部件設(shè)計(jì)/材料和制造能力中航復(fù)材在汽車輕量化方面的實(shí)踐原材料和中間材料產(chǎn)品平臺非航民品產(chǎn)品平臺運(yùn)輸用罐車產(chǎn)品平臺復(fù)材大巴車身產(chǎn)品平臺汽車零部件產(chǎn)品平臺150℃/5min快速固化ACTECH1201?快速固化樹脂及預(yù)浸料成型快速：150℃/5min；130

℃/10min儲存期長：室溫/30天，-18

℃/365天性能優(yōu)異：與中溫固化環(huán)氧體系（成型周期4小時(shí)）性能相當(dāng)構(gòu)件驗(yàn)證：力學(xué)性能滿足電動客車車身等主承力結(jié)構(gòu)要求，已通過整車側(cè)翻等考核驗(yàn)證；耐熱性能滿足汽車噴漆工藝要求。轎車引擎蓋通過OTS試驗(yàn)完成材料鑒定并批產(chǎn)低成本材料進(jìn)展復(fù)合材料汽車覆蓋件與多家客戶合作研發(fā)汽車引擎蓋、行李箱蓋等復(fù)合材料引擎蓋和行李箱蓋，與鋼制件比減重約50%。成套解決方案：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝制造、協(xié)助裝配零部件開發(fā)進(jìn)展與一汽技術(shù)中心合作研發(fā)重型卡車碳纖維復(fù)合材料傳動軸采用的碳纖維復(fù)合材料可以使傳動軸由原來的兩件合并為一件，減重53.9%最長可提供2.17m通過臺架靜力和疲勞試驗(yàn)成套技術(shù)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度設(shè)計(jì)、材料選擇、工藝制造、試驗(yàn)驗(yàn)證零部件開發(fā)進(jìn)展與一汽技術(shù)中心合作研發(fā)重型卡車用復(fù)合材料板簧。復(fù)合材料板簧與金屬板簧相比減重65%。先后開展了多輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、強(qiáng)度校核、材料優(yōu)選、工藝方案選擇和工藝試驗(yàn)，并進(jìn)行了多輪產(chǎn)品試制和臺架試驗(yàn)卷耳板簧加載盒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度分析產(chǎn)品試制臺架試驗(yàn)零部件開發(fā)進(jìn)展12米全復(fù)合材料電動客車車身與中植航（南通）電動客車公司合作開發(fā)全復(fù)材車身產(chǎn)品通過3C認(rèn)證整車總重量僅為8.5噸，同型號最輕續(xù)航里程可達(dá)400公里已在工信部新能源車289批公告中公示復(fù)合材料客車研發(fā)進(jìn)展完成工作內(nèi)容整體化、模塊化車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)強(qiáng)度校核優(yōu)化（十余種工況CAE分析）復(fù)合材料車身部件制造和裝配工藝研究形成整套設(shè)計(jì)文件、制造規(guī)范、驗(yàn)收規(guī)范車身取得國家3C認(rèn)證突破的關(guān)鍵技術(shù)材料體系的選擇和混雜優(yōu)化技術(shù)兼顧功能/性能和制造效率的模塊式全承載車身設(shè)計(jì)技術(shù)具有批產(chǎn)潛力的低成本高效構(gòu)件成型技術(shù)模塊化整體總裝制造技術(shù)復(fù)合材料客車研發(fā)進(jìn)展直接效益結(jié)構(gòu)減重：現(xiàn)復(fù)材車身部件重1755kg，相比金屬車身減重1噸良好的保溫、降噪性能優(yōu)異的耐腐蝕、抗疲勞特性間接效益衍生減重：可省去內(nèi)飾、地板、電池箱及托架等，共計(jì)約

500kg等里程下減少電池安裝量提高續(xù)航里程，可達(dá)到400km提高整車裝配效率：7天以內(nèi)裝配線大大簡化，減少40%以上整車裝配線固定資產(chǎn)投資減少30%以上的廠房面積。復(fù)合材料客車研發(fā)進(jìn)展復(fù)合材料運(yùn)輸油罐罐體減重1.6噸，安全性好產(chǎn)品經(jīng)過權(quán)威檢驗(yàn)，經(jīng)過路試檢驗(yàn)已完成危險(xiǎn)化學(xué)品包裝容器生產(chǎn)資格證已獲得工信部道路機(jī)動車輛產(chǎn)品公告（272批）復(fù)合材料運(yùn)輸油罐進(jìn)展產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃LFT混料造粒單元LFT零件注射單元部件膠接裝配生產(chǎn)線涂裝生產(chǎn)線線預(yù)浸料生產(chǎn)線零件模壓成型線汽車覆蓋件自動化生產(chǎn)示范線（5萬件/年）

2017年啟動產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃編織-RTM成型和裝配線（5萬件/年）

2018年啟動客車車身生產(chǎn)線（1000件/年）

2017年啟動??層鋪外蒙皮層鋪內(nèi)蒙皮模具1層鋪泡沫層鋪外蒙皮層鋪內(nèi)蒙皮模具2層鋪泡沫層鋪外蒙皮層鋪內(nèi)蒙皮模具3層鋪泡沫??工位工步工人

A組人

B組人

C組人復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)輕量化思考、復(fù)合材料汽車結(jié)構(gòu)研發(fā)實(shí)踐12碳纖維前艙蓋總成研發(fā)及性能測試3提

綱33碳纖維前艙蓋構(gòu)型輕量化程度3.13.2設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可行性3.3提

綱34工藝成熟度3.4生產(chǎn)效率3.5成本3.6產(chǎn)品質(zhì)量和質(zhì)量一致性保障說明3.7352017/4/26碳纖維引擎蓋構(gòu)型金屬方案直接轉(zhuǎn)化根據(jù)復(fù)材特性重新設(shè)計(jì)中間添加PU泡沫外板：碳纖維，內(nèi)板：碳纖維外板：碳纖維，內(nèi)板：LFT外板：碳纖維，內(nèi)板：碳纖維，夾心：PU外板：碳纖維，內(nèi)板：碳纖維外板：碳纖維，內(nèi)板：LFT外板：碳纖維，內(nèi)板：碳纖維+LFT+碳纖維根據(jù)采用不同的結(jié)構(gòu)及材料，

復(fù)合材料引擎蓋有六種結(jié)構(gòu)方式362017/4/26有限元分析結(jié)果金屬方案直接轉(zhuǎn)化計(jì)算項(xiàng)目扭轉(zhuǎn)（mm)側(cè)邊（mm)后邊（mm)抗凹（mm)金屬轉(zhuǎn)化外碳內(nèi)LFT0.931.61.073.8扭轉(zhuǎn)側(cè)邊剛度后邊剛度抗凹剛度外板：碳纖維，內(nèi)板：LFTLFT應(yīng)力：44.5MPa借鑒航空復(fù)合材料技術(shù)輕量化程度372017/4/26計(jì)算項(xiàng)目扭轉(zhuǎn)（mm)側(cè)邊（mm)后邊（mm)抗凹（mm)強(qiáng)度重量（Kg)金屬轉(zhuǎn)化外碳內(nèi)碳1.21.881.283.8√4.18金屬轉(zhuǎn)化外碳內(nèi)LFT1.142.211.524.08√7.3金屬轉(zhuǎn)化外碳內(nèi)碳LFT碳0.931.61.073.8√5.28復(fù)材設(shè)計(jì)外碳內(nèi)碳0.7340.9280.594.9√6.63復(fù)材設(shè)計(jì)外碳內(nèi)LFT1.121.71.216.3√8.83PU泡沫外碳內(nèi)碳0.310.630.6850.51X5.53綜合考慮重量、成本、技術(shù)要求及批量化生產(chǎn)效率等因素，我們采用連續(xù)碳纖維外板+LFT內(nèi)板的結(jié)構(gòu)形式重量統(tǒng)計(jì)382017/4/26復(fù)材裝配件零件相關(guān)特征參數(shù)前艙蓋總成目標(biāo)重量：不大于9.45kg前艙蓋外板-前艙蓋鎖環(huán)安裝板2mm前艙蓋內(nèi)板前艙蓋內(nèi)板基體-預(yù)埋金屬件2*發(fā)動機(jī)罩鉸鏈螺母備板(2.0mm+2*M8)輔助解鎖機(jī)構(gòu)安裝板2.0mm+M62*(氣彈簧安裝板2.0mm+2*M8)AF抽芯鉚釘6*D3.2結(jié)構(gòu)膠0.075m2+0.015

m2減震膠區(qū)域面積0.12

m2面積按0.04

m2清漆面積1.376m2總和原金屬引擎蓋重量：18.9公斤，復(fù)材引擎蓋減重50%設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)性392017/4/26工藝成熟度-材料部件零部件材料備注前艙蓋總成40前艙蓋外板可視面ACTECH1201/W3201/200-1300滿足“標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維織物中溫固化環(huán)氧預(yù)浸料規(guī)范”的T300級3K斜紋預(yù)浸料前艙蓋外板非可視面ACTECH1201/W1201/360-1300滿足“標(biāo)準(zhǔn)模量碳纖維織物中溫固化環(huán)氧預(yù)浸料規(guī)范”的T700級12K斜紋預(yù)浸料前艙蓋鎖環(huán)安裝板ACTECH1201/W1201/360-1300前艙蓋內(nèi)板長纖維增強(qiáng)塑料LFT材料鎖環(huán)、螺母備板、鉸鏈備板等前艙蓋附件熱塑性材料電泳/發(fā)黑/發(fā)藍(lán)處理結(jié)構(gòu)膠結(jié)構(gòu)膠粘劑減震膠工業(yè)硅酮密封膠總成2017/4/26清漆工藝成速度-材料ACTECH?1201快速固化樹脂及預(yù)浸料成型快速：150℃/5min；130

℃/10min儲存期長：室溫/30天，-18

℃/365天性能優(yōu)異：與中溫固化環(huán)氧體系（成型周期4小時(shí)）性能相當(dāng)構(gòu)件驗(yàn)證：力學(xué)性能滿足電動客車車身等主承力結(jié)構(gòu)要求，已通過整車側(cè)翻等考核驗(yàn)證；耐熱性能滿足汽車噴漆工藝要求。性能型號增強(qiáng)材料(g/m2)纖維面密度(g/m2)樹脂含量(%)單層固化厚度(mm)大克重預(yù)浸料碳纖維250380.250預(yù)浸料碳纖維132330.125織物預(yù)浸料碳纖平紋20038%0.200織物預(yù)浸料碳纖斜紋20038%0.200織物預(yù)浸料玻纖織物22038%0.220*可提供其他織物及規(guī)格預(yù)浸料產(chǎn)品422017/4/26工藝成熟度-工藝級別工藝方法應(yīng)用部位說明零件模壓工藝前艙蓋外板預(yù)浸料模壓鎖環(huán)安裝板ＬＦＴ注塑工藝前艙蓋內(nèi)板注塑并預(yù)埋金屬件裝配結(jié)構(gòu)膠膠接前艙蓋內(nèi)板與鎖環(huán)安裝板前艙蓋內(nèi)板與外板使用結(jié)構(gòu)膠連接鉚接前艙蓋內(nèi)板與鎖環(huán)安裝板使用抽芯鉚釘連接減震膠膠接前艙蓋外板與鎖環(huán)安裝板前艙蓋內(nèi)板與前艙蓋外板使用減震膠連接生產(chǎn)效率和常規(guī)中溫固化復(fù)合材料相比，固化周期降低80%以上LFT注塑內(nèi)板：注塑成型300℃≤5min快速固化連續(xù)碳纖維外板：固化成型150℃≤5min自動下料：5min鋪貼：10min采用移動模具流水線制造LFT在線生產(chǎn)注塑件自動化脫模傳遞產(chǎn)品成型有效時(shí)間：≤5min常溫膠接自動化工裝噴漆流水作業(yè)保證≥50件/日成本現(xiàn)階段產(chǎn)品針對高端汽車，表面為連續(xù)碳纖維面板，因此價(jià)格較常規(guī)金屬引擎蓋昂貴，約為5000元左右?，F(xiàn)公司正致力于開發(fā)第三代產(chǎn)品，目標(biāo)成本降低至2000元以內(nèi)，重量較金屬減重40%。產(chǎn)品一致性說明-OTS試驗(yàn)452017/4/26試驗(yàn)類別試驗(yàn)序號試驗(yàn)名稱材料試驗(yàn)1物理化學(xué)性能試驗(yàn)2力學(xué)性能3高溫儲存性能試驗(yàn)4低溫儲存性能試驗(yàn)5冷熱循環(huán)性能試驗(yàn)6耐候性試驗(yàn)7低溫沖擊試驗(yàn)8石子沖擊試驗(yàn)9漆膜/涂層附著力（劃格試驗(yàn)）10合邊膠分離力試驗(yàn)11耐水性試驗(yàn)12耐酸性試驗(yàn)13耐堿性試驗(yàn)14耐機(jī)油性試驗(yàn)15抗清洗劑試驗(yàn)16