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福特汽車（德國Ford Werke GmbH）聯合Gestamp、GRM咨詢、華威大學共同開發了一款用于緊湊型車后懸架的碳纖維復合材料轉向節，相較于鋼制部件減重35%。據悉，該項目由Innovate UK贊助，由福特主導，通過多部門的配合，基于原鋼制轉向節部件性能要求提出了材料的剛度、強度、耐久性等設計目標。同時經過成本估算、生命周期評估等確定了采用碳纖維復合材料的工藝路線。Gestamp是一家專業從事零部件設計和開發的企業，在本項目中負責轉向節部件的設計、CAE仿真、以及批量化生產的工藝實現和成本估算。GRM為該項目開發了新的CAE工具以實現材料的功能優化。華威大學旗下華威制造（WGM）為復合材料的選擇、性能測試、模具開發、預制件等過程提供支持。
材料設計及CAE仿真
復合材料的選擇方面，研究人員通過強度-重量比、剛度-重量比和臨界溫度三個主要指標進行衡量和篩選，結果顯示：非連續的玻纖增強復合材料剛度不符合要求；玻璃和芳綸纖連續纖維增強復合材料的剛度也難以滿足；此外，單向鋪層的復合材料強度和剛度均不符合要求，因此需要進行鋪層設計，如0°、90°、+ 45°、-45°層疊加鋪層。
？通過DSC、拉伸測試等進一步檢測材料的強度、抗壓等特性，并得出了如表1所示的材料選擇表。其中選擇連續雙軸編織和單向碳纖維增強環氧樹脂預浸料作為轉向節的主體結構，采用乙烯基樹脂SMC材料作為增強肋條材料。當然，該材料方案僅針對技術可行性，尚未考慮成本。
隨后，對轉向節部件進行結構設計和CAE優化，開發流程如圖1所示。圖1（a）顯示了第一次優化的結果，采用SMC材料開發，雖然滿足了剛度要求，但強度達不到要求。進一步優化如圖1（b），在紅色區域采用單向（UD）長纖維復合材料以提升強度，但效果并不理想。第三輪優化結果如圖1（c），采用連續纖維編織物作為增強體的復合材料（圖中紅色區域），其強度和剛度都能滿足要求，但整體布局的生產周期和規模化生產受到限制。因此，最終研究人員采用了鋼制嵌件的方式，并重新進行了結構設計和有限元分析，優化過程如下：
· SMC的拓撲結構：肋條的位置、形狀和結構設計；
· 葉片的形貌：材料厚度、形狀，如法蘭等；
· 層壓板的尺寸：纖維的取向、不同區域的層數；
· 鋼插件的設計：形狀、蜂窩狀切口、壁厚的降低；
· 重量：零件中所有材料的合理分布。
隨著長纖維材料的引入，需要通過預成型來避免起皺和翹曲等問題。通過成型模擬將成型過程中的缺陷被最小化。最后確定工藝溫度、模具溫度、閉合速度、時間等工藝參數。
部件的加工制造
在成型模具的設計時，需要考慮幾個因素：模具需要具有較高的質量穩定性、足夠的公差，噴射器位置不會干擾結構設計，能夠實現完美的型腔填充，循環周期低于5分鐘。通過再次的成型模擬來定義傳感器、噴射器和注射器位置，加熱和冷卻通道的布線，密封條件，噴射時間，真空水，固化溫度和時間，關閉速度和壓力等參數。具體如圖2。
在成型過程中，創新的采用了磁鐵對鋼制嵌件進行定位和固定，如圖2左上。成型時將SMC材料放置在鋼制嵌件的頂部，將預先形成的連續材料放入嵌件下半部分，以確保從底部到成型過程的完美支撐。
為了連接控制臂及相關襯套，U型接口兩側分別設計了壓縮限制器和螺母，通過與成型壓力的配合形成與后續部件連接所需的襯套，如圖3所示。
圖4展示了部件力學性能測試和CAE模擬的對比，結果顯示，實際測試和CAE模擬的最大屈服載荷分別為8.1kN和7.7kN，同時其失效范圍也基本相當。說明CAE模擬的準確性較高。
全文總結
汽車工業正向著輕量化方向快速發展，碳纖維材料的應用可有效實現減重，但目前市場規模化生產中還較少應用。
如圖5所示的復合材料轉向節，通過碳纖維復合材料與鋼制嵌件的組合，實現了35%的減重，同時可規模化生產。汽車制造中關于復合材料的性能和開發數據較少，CAE模型的建立為部件的成型設計提供了有效支撐，Class項目在車輛底盤上實現了顯著的輕量化效果。通過正確的位置使用正確的材料，該項目開發的多材料轉向節生產工藝也提供了一種適用于大批量生產的輕量化解決方案。
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