一、 目的及意义

1. 目的

本设计依据初始结构二维图进行碳纤维复合材料零件的三维结构设计，完成碳纤维零件的制造分块，在此基础上，运用有限元分析软件完成复合材料的零件结构分析。

2. 意义

最近几年，随着我国快速的经济发展，人民生活水平的提升，汽车已成为人们日常生活的重要组成部分。随着汽车保有量的增加，人们的出行得到了极大的便利，但同时也随之产生了能源与环境的问题，人们对汽车的环保性及燃油经济性提出了更高的要求。

汽车轻量化技术已经成为解决上述问题的重要手段^[1]，整车质量的降低，不但可以提高车辆的性能，而且也可以满足环保的需求。根据世界铝业协会的统计数据显示^[2]，整车质量每降低10％，油耗可降低7％。

目前实现汽车轻量化主要有三种技术路径，分别为汽车结构优化设计、采用先进轻量化制造技术和应用新型轻量化材料^[3-5]。其中，结构优化设计主要采用尺寸优化、形状优化、拓扑优化等优化技术；先进的轻量化制造技术，主要是在生产加工过程中运用液压成型、热冲压成型和内高压成形等先进制造加工技术^[6]，而轻量化材料的应用主要是将高强钢、铝合金、碳纤维、塑料和复合材料等应用到汽车零部件上，提高产品性能，减轻重量，实现轻量化。

目前汽车上钢制零部件占到整车重量的3/4左右，如果使用新型轻量化材料，如碳纤维复合材料，代替原来的钢制零部件，可使整车重量可减轻３００ｋｇ左右，燃油效率可以提高36％，二氧化碳等有害气体的排放量亦可削减17％，不仅减少了使用成本，而且更加绿色环保。碳纤维是一种先进的复合材料,它具有比强度高,比刚度大,抗冲击性能强,疲劳程度高,耐腐蚀性好,成型工艺好等特点。此外,碳纤维具有极强的可设计性,改变纤维的铺设方式,可使碳纤维制品得到不同组合的强度、刚度等机械参数。这就给设计人员一个广阔的设计空间,但所有可能的设计必须在力学分析指导下进行。

3. 国内外碳纤维复合材料在汽车上应用的研究现状

2002～2012年10年间，欧洲平均每辆汽车的整体质量增加了100kg。面对当前全球气候变暖等问题，“节能减排”成为当前工业发展的必然趋势，欧盟各国及北美等国家先后出台法规限定汽车的二氧化碳平均排放量，因此减重成为各国汽车公司研究的重点^[7-9]。

碳纤维是复合材料的重要组成部分，碳纤维增强复合材料是汽车覆盖件最理想的非金属材料，在减轻车身质量的同时，也能保持防撞性能。对于汽车生产商来说，碳纤维复合材料也表现出许多优点，零部件的整合、模块性、安装成本低、投资小，避免了传统车身的喷涂过程和相应的环保处理及资金成本。

在复合材料中,碳纤维的成本占材料成本的60%～80%，是复合材料成本的主要贡献者，复合材料成本的降低在很大程度上依赖于碳纤维价格的降低。伴随着近些年国内外对碳纤维成本控制的逐步研究以及纺丝和碳化工艺的不断优化升级，通用级碳纤维的价格呈现逐年降低的趋势^[10～13]。2015年1月，美国能源部宣布计划在五年里投入7000万美元用以推动清洁能源产品所需的轻型复合材料发展。此外，美国政府还宣布组建先进复合材料制造创新研究所，该研究所将与生产企业、高校和国家实验室合作，为创新复合材料技术的开发和研究提供支持。复合材料的特点是可实现零部件的模块化生产。如宝马系列的汽车变速器组件采用35%玻纤增强PA66复合材料制成，它集成了许多零部件于一体，不仅节约了发动机舱内的宝贵空间，也减少了成型工艺。欧盟曾采用树脂传递模塑成型（RTM）工艺成功地试制出某乘用车碳纤维复合材料底板，零件的数量由28个减少到8个，质量较钢减轻约50%，而车身的性能达到了原钢车身水平。碳纤维的承载式车身能承受更大的拉应力，闭的座舱能够在车身受到高速冲撞，甚至车体彻底肢解后，保证驾驶者的绝对安全。兰博基尼旗舰款超级跑车AventadorL P700-4的驾乘舱完全用碳纤维复合材料制造，并配以硬壳式结构，结构质量仅为145.5kg。宝马i3作为全球最创新的电动汽车，由于大量使用了碳纤维增强复合材料，使得新宝马i3整车仅重1 255kg，质量降低了300kg左右^[14]。

法国SP系统公司展示了一个用于boxster S车的碳纤维复合材料发动机罩盖，碳纤维材料体系是由碳纤维增强材料和预催化树脂薄膜的交替层组成，使用树脂薄膜浸渍技术来加工制成的。碳纤维复合材料可多层积层快速铺放，它能在不使用热压罐的情况下低温固化，产生高质量无空隙A级表面光洁度的部件^[15]。

在国内，一汽建立了汽车轻量化先进成型技术创新基地，针对材料方面开展了碳纤维复合材料、玻毡增强热塑性塑料（ＧＭＴ）等轻量化材料在汽车上的应用研究。长安汽车与中国科学院、中航复材以及湖南大学等院校开展合作，正在研制适于规模化生产的碳纤维顶盖和地板。