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在全球對于環境保護和不可再生能源可持續利用的認識不斷提升的大背景下，各國紛紛制定了史無前例嚴格的燃油經濟性和排放法規（見圖1）。美國的CAFE標準（Corporate Average Fuel Economy，企業平均油耗標準）規定汽車企業油耗在2015年達到35.5mpg，2025年達到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準也在2016年開始生效。
圖1 美國政府大幅提升企業平均油耗標準（CAFE）[1]
面對這些異常嚴苛的政策，國內外車企紛紛從發動機、變速器、車輪/輪胎、整車等方面加力汽車節能減排技術的研發。根據美國Aberdeen集團的市場調研，48%的被調研企業認為輕量化是滿足標準的首要手段也是最大難點，高達88%的車企則已經開始或即將開展新材料戰略。
應用與挑戰
在各種候選材料中，復合材料由于其質量輕、強度高、可設計性好、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，比如保險杠、儀表板、前圍、擋泥板、行李架、備胎艙等等已經是復合材料了。這些結構主要是基于GMT（GlassFiber Mat Reinforced Thermoplastics，玻璃纖維增強塑料）、LFT（LongFiber Reinforced Thermoplastics長纖維增強塑料）、NMT（Natural Fiber MatRefinforced Thermoplastics天然纖維增強塑料）等非連續纖維增強熱塑性基體制成的非結構件。受限于熱塑性樹脂自身的劣勢，比如粘性小，難于鋪貼模具；熔點高，熔融粘度大，加工成本高；力學性能低于類似熱固性復合材料等，如果想進一步降低整車重量，滿足能耗排放標準，則必須借鑒航空航天工業高性能連續纖維增強熱固性復合材料的經驗，將其運用到車身的主次承力構件上。實際上，市場上的先行者，比如寶馬已經在其i3和i8等車型上實現了碳纖維增強復合材料作為主承力構件（如乘員艙）的批量生產（圖2）。
圖2 BMW i8全CFRP碳纖維增強復合材料駕駛艙
常見承力復合材料的結構形式如圖3。整體層合板由纖維增強的樹脂鋪層層疊而成，根據纖維絲/束在單個鋪層中的排布主要分為單向和編織復合材料，考慮到層合板在垂直方向的力學性能，也會添加此方向的絲束形成非屈曲經編織物。可以直觀的看到，相比均一各向同性的金屬材料，復合材料的構造取決于其基體、纖維的材料，鋪層的厚度，纖維朝向，編織方法等等，同時不同鋪層的尺寸和連接方式又決定了整個構件的宏觀尺寸構型和物理屬性。
圖3 常見鋪層類復合材料構造，左起分別為單向復合材料、編織復合材料和非屈曲經編織物
這種復雜的細觀結構一方面帶來了復合材料強大的可設計性，另一方面從仿真的角度來講是更多材料參數，更復雜的幾何和有限元模型，不同的結構行為和性能表現。為了充分理解掌握并發揮復合材料的優勢，復合材料結構的研發通常遵循搭積木式流程，亦稱測試金字塔（圖4）。具體到汽車行業，首先要對于樣件進行材料和結構測試，獲取基本的材料和結構性能，由此而上，試驗分析不同結構形式的子部件，各級總成，最后進行整車測試。
圖4 復合材料“積木式”研發流程
考慮到物理樣機的成本，每個層級都要盡量采用仿真的方法來減少測試數目，加速研發流程，降低成本。西門子根據其在歐洲三十多年的航空航天和汽車復合材料成功應用的經驗上，提供了一整套復合材料整體解決方案，包括專注于復合材料設計制造的Fibersim軟件和Simcenter 3D復合材料結構和成型工藝仿真軟件（圖5）。目前，業內領先的車企正在利用這套方案來幫助來理解和分析復合材料，解決同傳統金屬材料完全不同的新的挑戰。
圖5 西門子復合材料整體解決方案
復合材料損傷分析
先進結構復合材料在生產和使用過程中，常會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或多個裂紋在靜態和交變載荷下的形核和擴展，但是復合材料的破壞取決于多種不同的機理：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 復合材料不同類型的損傷機理
如何有效的描述這些損傷行為對于結構強度的破壞并最終預測結構的整體性能呢? 西門子通過與歐洲領先的航空航天企業和研究所合作，成功的開發了多個針對復合材料結構仿真的材料法則與失效模型，并將其植入到了Simcenter 3D軟件中。通過與大量實驗的對比證明了這些模型的準確性。
目前，日本本田汽車已在西門子的幫助下進行相關的預研工作[3]。項目初期的目標是調研不同候選材料的材料參數，包括傳統工程力學參數和影響損傷行為的參數，然后建立材料損傷模型。在這個過程中，西門子幫助開發了材料測試方案、進行了虛擬仿真測試和搭建了最終的材料模型（圖7）。
圖7 本田基于西門子復合材料仿真解決方案的材料參數識別流程
在第二階段，運用已獲取的材料參數和損傷模型，利用Simcenter 3D預測了部件級復合材料結構的損傷行為（圖8）和低能量沖擊行為（圖9）[4]。
圖8 本田基于西門子Simcenter3D平臺的損傷分析
圖9 本田基于西門子Simcenter3D平臺的低能量沖擊仿真同試驗的對比
復合材料疲勞分析
同金屬材料不同，復合材料的疲勞行為并不總是由一個宏觀裂紋的生成和擴展導致的，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。對于目前在汽車上應用的非連續纖維復合材料，它依然可以沿用對于金屬材料分析的常用方法（例如S-N曲線法），它的計算效率比較高且可用于復雜的載荷工況，但是這種方法并不能考慮復合材料由于漸進損傷行為帶來的剛度衰減和以及鋪層破壞之后的應力重分布，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曲線的測量取決予鋪層結構，如果我們有多種候選材料方案，則必須進行多次測量獲取多條曲線，這樣會大大增加試驗的成本和研發的進度。
如果將來我們需要將連續纖維復合材料大量應用到車身上去，則必須提出一種新的疲勞分析方法。西門子同比利時根特大學的科研人員合作，共同在Simcenter 3D平臺中開發了一套基于周期跳變法的疲勞分析算法，其結合了基于有限元的損傷分析和傳統疲勞分析的優勢，兼顧了效率同精度，能夠真實的反應復合材料結構的剛度衰減和應力重分布（圖10）。目前，日本本田正在采用此套方案進行結構疲勞方面的研發。
圖10 西門子Simcenter 3D連續纖維復合材料結構的疲勞分析方案
總結與展望
相對于先進復合材料在航空行業的成功應用，汽車行業的復合材料才剛剛起步，也面臨著很多困難。首先為了滿足每年10萬輛汽車和高達上百萬件復合材料構件的產能，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，價格居高不下，生產設備的投入和使用費用也很高昂，最后如何回收快速高效低成本的回收高性能復合材料也是一個懸而未決的問題。
雖然如此，輕量化是未來大勢所趨，西門子將同各方面的專家和汽車制造商一起努力，提供更好的復合材料解決方案，引領行業前進。
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