根据上车体的结构和功能，CFRP上车体零部件要求替代原车身上车体所含的上车体金属框架、顶盖本体以及体现相关的与前后风挡玻璃、通风盖板、天窗、遮阳帘、遮阳板、内后视镜、顶部拉手、安全带、A/B 柱饰板、尾翼、电子电器线束相关的所有安装结构; 并满足与下车体的装配。
在零部件结构性能方面，CFRP上车体要求满足《GB 26134—2010 乘用车顶部抗压强度》中的安全标准，由于碳纤维复合材料与金属不同，属于硬脆性材料、无塑性变形，因此选择GB 26134—2010 标准中加载127 mm 强制位移时，顶盖部位产生的对应载荷的反作用力应大于车重1. 5 倍的判断准则进行安全性判定( 搭载车型的整备重量小于0. 9 t，所受载荷目标值应大于12. 2 kN) 。同时，上车体需满足整车搭载弯曲模态一阶扭转模态大于30 Hz、MATCH-BOX 模态大于35 Hz、一阶弯曲模态大于30Hz 条件; 而在满足结构与功能要求的同时，轻量化率需≥35%。
设计方案及典型结构
本研究在全面考虑原上车体结构性能需求及CFRP材料特性及工艺特性的基础上，对原上车体零部件及结构进行了全新设计( 见图2) :
先，完全取消原金属框架零部件，通过在原顶盖本体前后横梁部位增加CFRP内部加强板的形式，充分发挥碳纤维复合材料的比强度高、比模量高和可设计性的特点，将原金属上车体框架功能与顶盖本体集成，形成一体化上车体结构( 见图3) ;
其次，取消原B 柱压铸铝合金结构，配合安全带安装点功能需求，采用在B柱部位CFRP内部加强板中增加金属板预埋件及螺母结构，满足B 柱部位的结构与功能要求( 见图3) ;
再次，周边零件的安装结构以铝合金支架粘接/预埋形式与CFRP上车体集成; 后，CFRP上车体与下车体采用上车体预埋/粘接铝合金连接结构，与下车体进行螺栓连接及粘接。
图2 碳纤维复合材料上车体结构设计数模
图3 碳纤维复合材料上车体主要零部件
2. 3 材料选择及铺层
考虑成型工艺易实现及低成本化，本研究选择低温预浸料及真空袋压成型工艺。主要铺层为:
①顶盖本体，表面采用1 层200 克重T300 斜纹预浸布，内部采用10 层300 克重UD T700SC 预浸布按［( 0) /0 /45 / － 45 /90 /02 /90 / － 45 /45 /0］铺层设计铺设而成;
②内部加强板，表面采用一层200 克重T300斜纹预浸布，内部采用10 层200 克重UD T700SC 预浸布按［( 0) /0 /45 / － 45 /90 /02 /90 / － 45 /45 /0］铺层设计铺设而成。低温固化预浸料主要力学性能见表1。
3CAE 分析
为满足碳纤维上车体的结构设计与性能要求，本研究采用Hypermesh 13. 0 对上车体数模进行前处理，并采用Abaqus 6. 12 /Lsdyna Ｒ6. 1 /Hyperview13. 0 对碳纤维上车体方案进行顶压与模态CAE分析。
3. 1 顶压CAE 分析
顶压CAE 分析参考GB 26134—2010 乘用车顶部抗压强度对顶盖部位的测试要求进行，分别开展两种情况的顶压CAE 分析———上车体零部件顶压CAE 分析( 见图4) 及整车顶压CAE 分析( 见图5) 。
其中，上车体零部件CAE 分析以上车体部件为对象进行，CAE 结果表明在进行强制位移加载时，其反作用可达到21 kN，满足安全性要求;
而以自车身顶压CAE 分析以搭载上车体的整车数模进行，其顶压CAE 分析结果显示，车身顶部结构所受载荷增加至28. 1 mm 时，承受力达到目标值12. 2 kN; 在60 mm时，承受力达到13. 6 kN，顶部出现压溃，满足设计要求。
图4 上车体顶压CAE 分析
图5 整车搭载顶压CAE 分析
3. 2 模态CAE 分析
为验证上车体设计是否满足整车NVH 需求，将上车体数模搭载于原车身数模中进行模态分析，分析结果如表2 所示，均满足目标要求。
成型工艺
本研究主要针对CFＲP 上车体结构设计及验证，因此研究过程中并未选择适用于批量生产的成型工艺，而是考虑制件质量和工艺可实现性，选择低温固化预浸料铺层的真空袋压成型工艺，以保证样件质量与制造可实现性的平衡( 见图7) 。
CFＲP 零部件成型固化温度为80 ℃，固化时长为3 h，固化成型CFＲP 零件与金属零件共同进行粘接和装配( 见图8) ，各部件的胶接采用金属框架结合玻璃钢压板的辅助工装保证胶接区域的平面度，从而保证胶接后总成的尺寸和精度，终形成CFＲP 上车体。
试验结果
轻量化效果
经实际测量，CFＲP 上车体总承重量为19. 4 kg，原结构重量29. 27 kg，减重35%。
5. 2 顶压测试
CFRP上车体零部件顶压测试由天津汽车技术研究中心实施，试验采用台架的方式，以CFＲP安装与金属框架工装的形式模仿CFＲP 上车体在下车体上的安装状态进行测试，测试过程及载荷施加条件严格按照GB 26134—2010 进行，测试结果如图9 所示。
实验结果表明在测试条件下，上车体可产生20 kN 抵抗力，满足上车体设计要求。由于该测试的工装约束及载荷施加状态与CAE 分析中上车体零部件分析状态一致，因此，与上车体零部件顶压CAE 分析结果( 21 kN) 相比较，CAE 分析与实际测试偏差小于5%，CAE 分析结果与实际测试结果具有较高的拟合性。
考虑台架测试结果与CAE 分析结果具有较高的拟合性，测试结果满足安全要求，且整车顶压测试需对整车进行破坏性试验，因此，暂未开展整车顶压测试。
高寒测试及综合耐久性测试
为验证CFＲP 上车体低温性能及结构耐久性能，将CFＲP 上车体搭载于高寒实验及综合可靠性实验车辆上，随测试车辆进行高寒实验( 内蒙古呼伦贝尔冬季汽车试验场) 及综合可靠性实验。高寒实验已经完成，综合可靠性测试已完成30000 km，均未发现不良问题，满足设计要求。
结论
本研究针对纯电动轿车上车体结构件进行碳纤维复合材料设计开发，利用碳纤维复合材料可集成化及可设计性特点，采用整体式上车体结构取代了原上车体框架及顶盖本体的分体结构，在满足上车体结构性能的同时，获得了较高的轻量化效果。同时，本研究完成上车体样件的试制，并搭载于整车进行相关试验验证; 通过其CAE 分析及实车测试认为碳纤维复合材料上车体满足所需顶压测试、模态要求、高寒测试及综合可靠性测试要求，具有量产应用可行性。由于本研究成型工艺目前选择适应样件制造的真空袋压成型，在后期研究中将进一步针对批量生产的需求进行适应量产化成型工艺的研究及结构优化，以终实现碳纤维复合材料车用零部件的量产开发。
为进一步促进高性能复合材料在交通领域轻量化新技术、新应用的发展，全面贯彻落实十四五规划，推动复合材料产业链优化升级，学习交流国内外交通领域复合材料及制品的先进技术、前沿工艺与市场趋势，复材网携手杭州卡涞复合材料科技有限公司定于2021 年 6 月 7-9日在浙江?杭州召开“第十一届高性能复合材料新技术新应用国际高峰论坛暨高新装备展”邀请国内外的复合材料、制品及汽车、轨道交通、航空航天、海洋船舶等终端应用专家学者深度探讨交流，重点学习交流国际复合材料新技术、新应用的国内发展现状与市场发展趋势。
本次论坛主题是"高性能复合材料新技术新应用"。论坛将严格落实环保法规及卫生防疫要求，加强与国外先进技术的交流互动,特邀请国内外专家作应用技术与市场分析报告，坦言问题与挑战，讲技术，谈应用，析市场，构建一个“材料—制品—装备—零部件—终端市场”无缝对接的全产业链优化平台，有利于企业顶层设计及调整规划，在市场竞争中占据优势。
论坛期间还将在会场外举办复合材料高新装备展，设备企业参与到全产业链优化平台交流对接中，了解客户新需求，调整产品设计规划，从而共同推动复合材料新技术、新应用发展。
同时，论坛还将安排参观杭州卡涞复合材料科技有限公司，企业主要面向汽车零部件系统、储能系统（电池箱、碳纤维高压气瓶）、轨道交通、大型无人机和石油装备等市场，通过运用源于德国的高性能复合材料规模化设计和工艺制造技术、碳纤维回收再利用技术以及国内的汽车复合材料部件规模化量产经验，针对客户的不同需求，提供高效、低成本、定制化的轻量化解决方案，包括材料结构设计、小批量制造和量产，引领复合材料应用进入 4.0 时代（工业化、自动化、规模化、民用化）。
主办单位
复合材料信息网
杭州卡涞复合材料科技有限公司
协办单位
浙江省杭州市余杭区钱江经济开发区
参观工厂杭州卡涞复合材料科技有限公司展示
报告嘉宾
Prof. Dr. Klaus Drechsler
德国工程院院士
德国萨克森科学院院士
德国碳纤维复合材料联盟主席
慕尼黑工大碳纤维复合材料研究所所长
Fraunhofer IGCV轻量化工程研究所所长
杭州卡涞复合材料科技有限公司 席技术顾问
报告题目
复合材料技术在大规模量产应用领域的现状和未来发展趋势
报告大纲
- 近三年的复合材料量产应用的典型案例
- 未来复合材料的技术发展趋势和机会
Mr.Georg Kaesmeier
Managing Partner, Forward Engineering GmbH
德国Forward Engineering合伙人，德国Forward Engineering GmbH（以下简称“FE”）是欧洲知名的轻量化设计公司，前身为碳纤维轻量化汽车设计公司Roding Automobile，总部位于德国巴伐利亚州慕尼黑，在韩国、日本及美国均设有代表处，日本三井集团（MITSUI）是其第二大股东。FE主要从事汽车碳纤维复合材料轻量化零部件的工程设计开发工作，曾参与宝马i3，i8及新7系等车型复合材料车身零部件的设计。FE在市场上同蔚来汽车、长安汽车、北汽新能源、观致等汽车厂有丰富的合作案例，在其他亚洲市场，与尼桑、丰田、现代等公司有深度合作。此外，FE与知名的轻量化材料供应商Evonik（赢创）建有合资公司，主要从事碳纤维轻量化材料的营销。
报告题目
Design for Sustainability – how to win with composites
面对可持续发展的工程设计——如何利用复合材料取胜
报告大纲
Sustainability trends in Automotive
Key challenges of composite materials in the market
Design strategies for sustainable products
How to use Life-Cycle-Analysis in your product design process
Thermoset materials vs. Thermoplastic materials
State of the art recycling technologies for composites
Future Outlook how to win business with composites
汽车行业的可持续发展趋势
市场上复合材料应用的主要挑战
可持续产品的设计策略
在产品设计过程中，如何应用生命周期分析
热固性材料VS.热塑性材料
新的复合材料回收技术介绍
展望 - 如何用复合材料赢得业务
Mr Gianfranco Lanini
LEonARDO S.p.A.(意大利莱昂纳多股份有限公司）航空结构事业部副总裁，莱昂纳多上海总部总经理，商飞CR929项目大区负责人。
LEonARDO S.p.A总部在意大利罗马，1913年成立，180多个机构遍布20余个，其中制造厂有83个, 公司有7个业务部门分别是直升机、飞机、航空结构、机载与空间系统、陆海防御电子、防御系统、安全与信息系统事业部，是十大军工集团之一，欧洲第二大航空航天企业，意大利大的工程及航空航天集团。
报告题目
复合材料在商用航空领域的应用
报告大纲
-复合材料在商用航空中应用简史，从操控面板到完整的复合材料结构应用
-商用航空采用复合材料的优势（重量，维护，使用寿命）
-未来挑战--未来复合材料航空结构的要求（可回收性、生产系统灵活性、缩短投入市场的时间）
魏斌博士
现任杭州卡涞复合材料科技有限公司CTO兼工程研究院院长，曾出任慕尼黑工业大学轻量化工程研究所副研究员、奥迪汽车集团（德国总部）研发工程师、蔚来汽车德国中心轻量化工程高级经理、吉利汽车德国研发中心轻量化集成总监。同时，魏斌博士兼任复合材料学会车辆工程专业委员会副主任委员。
报告题目
车身碳纤维部件：从方案、研发到量产
报告大纲
碳纤维在车身结构的量产化应用需要解决用在哪、生产效率、质量稳定以及用得起这几个核心问题。结合已有的量产项目经验，报告系统的介绍方案论证、方案研发和验证、材料测试以及CAE校正、样品试制和测试、以及装配方案等多方面内容。
宋光辉
浙江吉利新能源商用车集团有限公司客车事业部副总经理、高级工程师
报告题目
新能源电动客车车身的复合材料应用
报告大纲
目前市场上，巴士和客车的车身主要采用传统的钢制车身，自重较大，油耗较高，运营成本偏高。作为运营车辆，整车生命周期成本包括购置、日常运营、维修保养以及报废周期是运营方高度关心的产品指标，这也对生产方在制造投入成本，产品的生产效率、质量以及物流成本方面提出了新的要求。基于各方需求驱动，模块化、轻量化、分布式组装的客车车身方案被工业界提上了议程。报告主要阐述吉利商用车和杭州卡涞复合材料科技有限公司携手开发的产品和技术方案。
韩非博士
现就职于宝钢股份研究院并任高级主任研究员。专注于汽车先进高强钢成形理论与应用技术。负责宝钢研究院汽车板EVI技术解决方案团队及用户技术支持工作，负责宝钢车身用材及轻量化技术、超高强钢成形与应用解决方案研发与应用研发，推进与用户新材料、轻量化技术应用与实践合作
报告题目
碳中和下的轻量化挑战与宝钢新能源汽车用材解决方案
报告大纲
新能源车行业迅猛发展，面对碳中和目标，对轻量化、材料发展提出了新的挑战与需求。报告介绍了在此背景下，对新能源汽车轻量化、低碳发展的理解，对新能源汽车用材的解决方案，并对未来包括钢、铝、复合材料等材料发展给出了展望。
（更多精彩报告与重量级嘉宾，正在公布中）
日程安排
6月7日（星期一）
13：00-20：00
论坛报到
6月8日（星期二）
09：00-12：00
论坛报告
6月8日（星期二）
14:00-18:00
论坛报告
_
6月8日（星期二）
19：00-21：00
欢迎晚宴，互动交流
6月9日（星期三）
08：30-15：00
工厂现场实操，生产中遇到的问题展开探讨解答、样品展示。
时间/地点
时间：2021年6月7日-9日
地点：浙江杭州
相关事项
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