图1 采用复合材料设计与制造的结构部件实例

过去30年中，复合材料在汽车行业的应用一直在大幅增长，为满足汽车轻量化要求，越来越多的新型复合材料内饰部件被应用到汽车制造业中，但复合材料的设计和模拟分析面临巨大挑战，本文通过应用CATIA、SIMULIA等软件工具为工程师们提供了高效、可行的解决方案。

从20世纪80年代开始，大部分一级方程式赛车底盘（包括一体式车架、悬架、翼子板以及发动机盖）已经采用碳纤维复合材料制造。1983年庞蒂亚克Fiero成为第一款车体大量采用复合材料的赛车，现在，包括兰博基尼、特斯拉及法拉利等在内的一些豪华和高档品牌的小批量生产车型也开始采用复合材料。

汽车OEM大举开发复合材料的原因在于其能够降低汽车重量，进而提高燃油经济性。宝马Megacity Vehicle就是一个很好的例子。该款车计划将于 2013年上市，宝马集团届时将在市场中推出采用碳纤维强化材料的量产汽车。

独特的优势

汽车复合材料协会（ ACA）最近对一款原型车进行了检测，以确定用复合材料替代金属部件能减轻多少重量。单件复合材料铸件可以替代行李箱中 6～8个金属冲压件，质量降低高达50%。复合材料发动机盖与钢制发动机盖相比重量可降低 30%～40%。把4个金属部件整合为一个由两片复合材料部件组成的行李箱盖总成之后重量可降低 25%～35%。把4个部件合并为一个部件的混合挡泥板可减轻重量 25%～35% 。

不过，复合材料的优势远远不只是减重。复合材料部件加工成本只有同类金属部件加工成本的20%。复合材料更低的投资成本可大大满足汽车制造商降低模型构建成本的需求。纤维增强聚合物复合材料能够以更少的部件实现总成设计，从而大幅减少制造成本并加快上市进程。复合材料与铝、钢或热塑塑料等材料相比抗凹陷、弯折等损害的性能要强得多。此外，其抗腐蚀性也比金属部件高得多。复合材料出色的内部阻尼能够提供更高的 NVH特性。另外，复合材料在成形灵活性、几何细节层级和成形深度等方面也远远优于金属冲压件。

面临新挑战

在汽车制造业中成功采用复合材料结构需要对端对端流程（从产品设计和虚拟测试到制造）所使用的工具进行大量改进。目前的大部分计算机辅助设计（CAD）软件解决方案最初旨在用于复杂性比当今多层复合材料低得多的金属和塑料部件。它们在追踪层压和复合材料性能方面起不到任何作用，因此工程人员不得不采用电子数据表对此类信息进行手动追踪。

从模拟的角度来看，评估预期设计的机械性能并非易事，因为一般情况下必须在有限元分析（FEA）软件中再次手动输入板层与复合材料参数，而这是一个耗时而又容易出错的过程。在通过电子数据表手动追踪过程中，相关设计往往需要在工程人员与分析人员之间往返多次，这便进一步加剧出错风险。另一个问题是，目前的大部分有限元软件是为钢、铝等金属材料而设计，这些材料在抗折弯方面远比不上复合材料，相反会爆裂、断裂和分层。

图2 采用基于分区方法的自动板层创建

进入制造阶段后，由于车体几何形状非常复杂，因此很难预测复合材料如何适应模具的复杂表面。主要难题则是开发符合板层导线要求而又不会导致织物变形的平板模型。主流工序是人工切割织物板层，并尽力将其装到模型工具上。整个样品测试流程一般都会历时很长，而且需要耗用大量昂贵的复合材料。此外，在将板层布置到模具上时，上述人工过程还可能会导致代价巨大的失误。

目前，复合材料工艺规划并未利用设计人员在模型中内嵌的产品定义。一般情况下都是采用手动输入或有限元网格定义板层快速创建复合材料工艺方案，以实现快速开发，但其并不符合完工模型要求。无效工作指令与规划顺序以及无法快速分析设计变更对制造过程的影响会进一步拖延产品交付时间。

显然，设计和大规模生产复杂、可量产的汽车复合材料部件极其复杂而且需要很高的成本。传统软件解决方案能够通过有序、耗时且非协作式过程完成复合材料部件的设计、分析和制造，而其又受制于繁重的手动操作。

为了应对上述复杂挑战，达索系统一直携手业界主要领军企业不懈努力，开发出了通过单一平台完成复合材料结构设计、模拟与制造的端对端PLM解决方案。作为达索系统复合材料解决方案的核心， CATIA能够提供用于复合材料部件与结构设计的专用环境，SIMULIA能够提供可改进设计过程，提高虚拟测试价值，显著降低对物理性测试依赖性同时又能满足法规要求的高级模拟工具与复合材料专用方法，而DELMIA则能够提供从规划、基于模拟的验证、工作指令授权到实际交付至车间的数字制造功能。

复杂的设计流程

在设计方面，汽车行业主要采用视为各向同性的金属，而复合材料并非各向同性。其数值定义非常复杂，而且涉及很多不同参数。因此，在复合材料部件建模时，主要难题之一就是在准确表征相关材料所需的参数数量和权衡所有参数所需的计算时间之间找到适当的平衡。为了满足上述需求，达索系统的CATIA复合材料解决方案提供了基于材料特性数据的精确表征，进而使工程人员能够轻松、快捷地定义详细的复合材料铺叠成形。

另一个关键的设计难题是需要在初步设计阶段快速查明和测试众多不同变量。此阶段的关键是能够在设计变更后数小时之内创建并且更新复合材料模型。CATIA复合材料解决方案可提供用于自动创建板层的各种方法，其中包括Zone（分区）、网格（Grid）和Solid Slicing（实体分层），同时还能提供表面参数与复合材料参数之间的关联。在内表面或外表面发生变化时，非常关键的一点是可以直接在设计环境内部进行更新，而无需导入新表面和重建实体模型。复合材料模型可根据新表面自动更新，从而节约大量时间。此方法还可以确保更高的准确性，进而减少完成设计所需的物理原型数量。

另外，在明确相关泡沫、织物与增强材料的基础上（以便了解所涉及各种材料的性能及其相互作用），设计人员还需要在流程的前期即能够执行复合材料部件分析。 CATIA复合材料解决方案可提供整套复合材料检测工具（钻芯试样与数值分析、交互式板层表等），以便详细审查复合材料结构。

图3 复合材料B柱累计冲击力模拟

为了实现设计质量与强度的优化，并确保最终产品符合设计要求，必须能够将设计、分析与制造流程集成到一个统一的平台。汽车金属部件组装包括焊接、铆接、栓接或粘接等方式。而复合材料组装工艺却大相径庭。设计人员需要明确了解相关复合材料特性、制造组装流程以及二者对所建模部件的潜在影响。CATIA复合材料解决方案可提供生产功能，使设计人员能够在设计前期即可整合相关制造约束条件并在部件建模时予以考虑。

最后同时也是最重要的一点是，在设计阶段，设计人员需要能够模拟制造流程，以确定材料在车间的纤维方向。如果缺乏此项能力，则会造成最终产品与设计初衷相去甚远，从而导致质量低劣和生产延误。达索系统利用其出色的技术合作伙伴网络提供高级专门应用程序，其已经完全集成到 CATIA复合材料设计环境，用于模拟板层行为方式和评估纤维形变。这样，在将设计发送至车间进行切割和手工铺贴之前即可进行修正。工程人员可以对材料的层叠和扭转层状结构进行可视化，以便在设计交付生产之前消除褶皱以及其他问题。

性能与碰撞模拟

如前所述，复合材料具有异质性，因此与金属相比，其行为更难以了解和预测。所以，更加关键的是通过功能强大、可靠的模拟应用程序来了解所设计部件的行为。目前，主要难题是能够在使用适当模拟应用程序的同时完全发挥复合材料的性能优势。由于汽车行业刚刚迈上复合材料部件量产之路，因此原材料制造商会不断遇到其参数有待了解的新材料。凭借已经完全集成到设计环境的合作伙伴产品，达索系统能够提供必要的知识与技能，以快速定义新材料的完备性能，并且使其最终成形。

信息的丢失以及 CAD与计算机辅助工程（CAE）应用程序之间传输复合材料数据（往往需要数据转换）所需的时间是目前的另一个主要关注点。CATIA复合材料设计信息与SIMULIA Abaqus/CAE FEA软件的集成可以解决上述问题。直接将精确纤维夹角与板层厚度从设计环境传输到分析环境的功能可以大大提高模拟精度。将更新后的设计信息从分析环境无缝回传到设计环境，使设计人员和分析人员能够进行密切合作，确保分析后的模型符合最终结构，同时规避无法制造的板层与结构规格。

模拟专家虽然熟悉金属部件，但是复合材料组装失败的研究则需要全面分析裂纹扩展、层离、防撞性、破碎以及复合材料固有的众多其他严重现象。为了分析与模拟上述现象，达索系统的SIMULIA Abaqus有限元分析软件可以根据具体技术和工艺提供强大的功能，比如用于层离的虚拟裂纹闭合技术（VCCT），或者用于在复合材料B柱累积冲击力模拟。

汽车制造业从大批量金属部件转而生产大量复合材料结构对 OEM和各级供应商而言可谓重大的挑战。原材料成本高，缺乏自动化、可重复的制造流程，进而妨碍了复合材料在汽车量产中的广泛应用。达索系统 DELMIA复合材料规划解决方案利用来自 CATIA的叠层与复合材料特性，可提供全面的流程规划与文档功能，以实现自动化的制造流程，创建流程方案与工作指令。此外，达索系统已经与主要机床制造商建立合作伙伴关系，以满足各种自动纤维铺放车间系统以及铺带系统（ tape laying system）的需求。达索系统还提供了 DELMIA机器人解决方案，以促进复合材料生产线的自动化。

制造流程的选择取决于产量。对于小批量生产建议采用手动流程，而中高产量则更适合采用自动流程。继续采用人工成层，传话那篇将达到质量极限，因为很难准确预测部件在车间的最终粗糙度。操作工可能无法始终将板层放置在同一位置，从而对精确的初始设计工作造成损害。不过，为了帮助操作工将织物准确铺放到模具上，达索系统采用完全集成到设计环境的业界一流的解决方案实现嵌套、切割和激光投射系统，从而能够促进以最高准确度优化复合材料模型叠层。

将复合材料应用于更大规模的生产应用中仍需要进一步的发展，不过复合材料在交通工具中发展的一个关键因素就是不断改进制造流程，比如非常适合汽车量产应用的树脂传递模塑（RTM）。RTM是一种封闭式模塑工艺，需要在两个模具表面之间放置干燥纤维材料，然后注填树脂。RTM近年来引起了汽车OEM极大的关注，因为采用封闭式模具更易于满足更加严格的环保法规要求。另外，RTM还易于保持适合自动化的产品质量，而且能够实现良好的容差、出色的机械性能以及优异的表面粗糙度。通过利用真空并注入压力以保持平衡的方法，能够大幅降低成本。

为此，达索系统借助合作伙伴的产品为 RTM工艺的模拟和优化提供了完整的RTM树脂流模拟解决方案。它不仅使工程人员能够确定注射口和溢料口（vent）位置，以避免干点；而且还能够预测与优化填充和固化时间，计算注射过程中模具的压力，同时找到前端流速，以防止纤维位移。

结语

汽车制造业正在赛车、豪华车、高档车和普通汽车等众多应用领域中增加碳纤维增强复合材料的使用（从仪表板到更复杂的结构部件），以满足燃油经济性法规要求并实现诸多其他重要优势。由于漫长的产品开发周期和不精确的制造流程，传统的手动、顺序以及试错式复合材料设计流程很难充分发挥其巨大性能优势。

作为全球汽车 OEM及其供应商的PLM解决方案龙头提供商，达索系统现在为汽车 OEM和供应商带来了独一无二的集成平台，其融合了专门的CATIA、SIMULIA、DELMIA以及技术合作伙伴的解决方案，不仅使OEM及其供应商能够大大缩短上市时间，同时还能最大限度地降低汽车质量与成本。