【聚焦】奧迪多材料輕量化電動車車身設計解讀

SMiLE項目（System-Integrated Multi-Material Lightweight Design for E-Mobility）旨在創建高效輕量化設計的大規模生產流程的背景下更好地了解多材料設計的問題。采用輕量化設計，該項目致力于開發一種新型的面向技術的車身概念，以滿足電動車特殊的要求。

關鍵的重點在于使用新材料和材料組合來減少功能集成車輛部件的重量，以實現創新的結構概念。材料和工藝開發涉及優化和驗證，將金屬和非金屬材料系統作為零件也是驗證的一部分，還包括開發適用于材料的連接技術，以及降低工藝溫度的噴涂技術-所謂的165°C過程。

該項目的一個重要特點是它考慮到了整個產業鏈的合作，涉及原材料、零部件和整車企業，這樣更利于技術的推廣以及全價值鏈的分析。

項目合作伙伴包括Audi, Volkswagen and Volkswagen Group Research, Porsche, Voith, BASF, Br?kelmann, Clean-Laser systeme, Dieffenbacher, Fraunhofer ICT, Fraunhofer IWM, Frimo, University of Stuttgart/IFU, TU Bergakademie Freiberg/Institute of Metal Forming, TUBraunschweig/ifs, KIT/Fast, KIT/IAM, KIT/WBK, Thyssenkrupp，Novelis等

在多材料結構中，每個部件都采用符合要求的合理選材，從而實現輕量化設計理念的系統化實施。而且必須考慮連接技術或生產可行性。

目前的車輛開發側重于帶有電動動力傳動系統的車輛。然而，電池電動車輛對于規劃車身結構提出了新的挑戰。高壓電池系統需要對環境進行特殊保護，尤其對于人來說。因此，在開發車身體時安全是優先考慮的方面。

該項目的主要目標是開發可用于新型多材料車身結構的技術。出于這個原因，過程還涉及識別零件和總成的性能評價。

例如，減震器采用集成鋁壓鑄部件，以便與車體進行經濟高效的耐腐蝕連接。車輛地板分為“前”和“后”兩部分，然后用于檢查制造技術，而不是部署連續的纖維增強熱固性塑料。車門檻是由重型鋁型材制成的單一部分。車輛沒有經典的隧道。提供200公里范圍內的能量存儲單元位于前排座椅（前部電池模塊）和后部座椅工作臺（后部電池模塊）下方。圖1顯示了預設計階段后的身體形狀。

FIGURE 1

Body concept with focal areas for technological development (? Audi)

表1中的模擬采用有限元方法來設計車身結構。該模型還針對每個負載情況進行了優化，以符合特定的目標值。 最后，在所有負荷情況下評估這些優化方案參數設置，并在優化循環中減少車身重量。 然后計算208千克體重作為身體結構整合電池外殼的最終值 - 與同類車輛相比，輕量化效果明顯。

TABLE 1

Overview of crash load cases (MDB: Mobile Deforming Barrier, MRB: Mobile Rigid Barrier, ODB: Offset Deforming Barrier, SOB: Small Overlap Barrier) (? Volkswagen Group Research)

在圖2中給出了用于“ODB正面碰撞”和“小偏置碰”負載情況的車身變形情況示例。乘客艙的入侵量低于法規要求。與此同時，車輛框架仍然保持完好，特別是由碳纖維增強熱固性塑料（CFRP）制成的前部車輛地板，盡管存在很小（裂縫）損壞。為了保護電池系統，詳細研究了側面柱碰。檢查了不同的極點位置，但未發現異常。

FIGURE 2

Result of the Euro-NCAP ODB crash simulation (left) and of the small overlap crash simulation (right) (? Volkswagen Group Research)

圖3顯示電池外殼（棕色）在色譜柱撞擊后仍未損壞。 整個碰撞能量消散在門檻型材中，部分消耗在車輛地板上。 這是通過在大規模的計算環路中優化組件來實現的。 重點在于確定鋁型材的幾何尺寸（內壁的位置和厚度），以及適用于負載路徑和生產的纖維復合材料部件的層結構。

FIGURE 3

Result of the “pole side impact” crash simulation; YZ-sectional view of the column impact position (? Volkswagen Group Research)

奧迪在其模塊化跑車系統平臺（MSS，Audi R8）中進行的開發工作表明，集成功能和組件是使用纖維復合材料實現低成本輕量化設計的重要出發點。通過將座椅下部橫向構件集成為用于結構集成的電池外殼的上部載荷路徑，CFRP地板模塊進一步遵循了這一概念。

奧迪開發了超RTM概念，通過以樹脂傳遞模塑（RTM）工藝來生產整體纖維增強聚合物（FRP）夾層組件。模腔壓力控制注射工藝允許壓力穩定性有限的泡沫芯的可重復加工。作為該項目的一部分，靜水壓試驗臺被開發用于測定RTM工藝條件下聚合物泡沫芯的抗壓強度。超RTM技術使用CFRP地板模塊進行了驗證，并確認符合目的。

從技術角度而言，該項目旨在利用熱固性塑料基體開發CFRP部件的技術和工藝，每個工作日可生產300件零件。橫梁對其夾層結構和集成載荷施加元件以及針對載荷進行優化的層結構提出了特別困難的挑戰。考慮到每個組件的投資成本以及耗時的工作步驟（如組件修整）可能降低，生產更大的模塊具有商業吸引力。

整體CFRP地板零件的幾何結構和層結構來自整個車輛的計算。開發針對切割和性能優化的預成型件布局（圖4），該工藝還為每個預成型件提供了負載優化的層結構。除了傳統的NCF紡織品之外，還考慮了福伊特的直接纖維鋪放系統，應用整齊的壓條實現近凈形狀的預成型件。通過懸垂模擬確定的纖維取向反饋到結構模擬中，以確保預測的質量盡可能準確。作為功能整合的另一方面，還測試了高壓應力連接的各種插入概念的特征組合。

FIGURE 4

Development process of the CFRP floor module with integrated design: from drape simulation to offcut-optimized preforming concept (? Audi)

具有結構上集成的電池外殼的車身重量為208千克。CFRP部件采用超RTM工藝生產。 生產方法要求多層次切割，堆疊和預成型預成型件以及預成型件組裝。 由于部分增強帶有UD貼片的各個子預成型件，層切割之后必要進行堆疊過程。 UD修補程序的簡單幾何結構帶來了95％的材料利用率水平。包括工藝表面在內的整個組件的切口約為15％。RTM工具設計由超RTM模具填充模擬支持。這是第一次，這個過程可以使用模具填充模擬進行描述，見圖5.這涉及考慮層結構，泡沫芯的流動，部分厚度的局部變化以及由具有可變模制間隙的壓力控制注射和壓縮階段導致的纖維體積含量的變化。

FIGURE 5

Ultra-RTM mold-filling simulation with Open Foam: fiber volume content at 0.7 mm mold gap (left), mold-filling after 15 s injection time at 140 g/s volume flow (center) and calculated pressure and mold gap progress with pressure control at 20 bar in the injection and compression phase (right) (? KIT/FAST)

使用20 bar的模內壓力峰值在5分鐘的循環時間產生組件。 地板模塊共重12.1千克，包括850克的泡沫芯和50％的纖維體積含量。

使用建立的虛擬過程鏈來評估組件成本。 與鋼結構相比，帶有門檻，CFRP前地板模塊和結構化集成電池支架的組件的重量節省44％。

具有熱塑性基體和玻璃纖維增強材料的可持續纖維增強材料是一類至關重要的材料。項目中開發的混合FRP地板模塊在設計自由度和功能整合方面顯示出巨大潛力。連續纖維增強熱塑性塑料在纖維方向上表現出出色的機械性能。

長纖維增強熱塑性塑料（LFT）的優點是流動性好，因此相關的設計以及直接加工（D-LFT）情況下的能量利用效率也較好[5]。使用“先進定制D-LFT工藝”將兩種材料級別相結合，將開發熱塑性玻璃鋼組件帶入新的水平。

后部車輛模塊（圖6）包括三個基本組件：由UD膠帶制成的大面積層壓板，由D-LFT成型材料制成的加強肋結構，金屬嵌件和工藝集成連接鋁型材。廣泛的D-LFT設計自由度允許通過形成負載路徑優化的肋結構來實現由D-LFT和UD磁帶制成的智能碰撞管理系統。

FIGURE 6 

Thermoplastic FRP hybrid floor module consisting of process-integrated joined aluminum profiles, a laminate made from continuous, fiber-reinforced UD tape and a ribbing structure made from D-LFT (? Audi, KIT/FAST simulations)

除了生產過程之外，重要的開發工作還包括提高模具中熱UD帶的懸垂行為的預測質量以及D-LFT成型材料的流動行為。過程模擬已被驗證作為組件樣本驗收過程的一部分。在組件設計中也考慮了由此產生的纖維取向問題的影響。

為了使用“屬地化先進定制的D-LFT工藝”生產混合FRP后部車輛模塊，首先將鋁型材固定在上部模具中。然后將預熱的固化UD帶和兩根熱D-LFT線材放置并壓入模具中。術語“局部定制”來自使用由UD帶制成的定制的預固結基層壓板，其具有負載路徑適當的纖維取向，并且使用D-LFT肋條的純局部增強，而沒有圍繞基層的大規模流動通過液壓推進滑板的方法。工藝鏈實現組件的生產周期小于1分鐘。

混合FRP后部車輛模塊的熱塑性GFRP /金屬復合材料結構與僅使用鋼材的結構相比可實現25％的重量減輕，而輕質結構的成本卻非常誘人。盡管使用碳纖維可以使重量減半，但出于成本原因和生命周期評估的考慮，故使用玻璃纖維。

新材料和材料組合需要開發新的連接技術。在該項目中，使用半空心鉚釘對低韌性和高強度合金對自沖鉚接技術進行了進一步開發。成形過程中由反作用力產生的抗壓強度允許較少韌性材料的無損接合。反作用力也減少了板的撓曲，從而改善了鉚接階段上部組件的材料分離。與傳統的自穿孔半空心鉚釘相比，這大大擴展了適用范圍。

此外，低溫涂層工藝的發展前景看好？這歸功于165℃的陰極浸漬涂層（CDC）溫度降低，從而為混合結構的改進和結構改進鋪平了道路。 模擬被用于研究在低溫CDC工藝期間所需的鋁的硬化，這需要合金替代一些合金。

該項目的結果表明，通過創新的多種材料組合可以實現電動汽車的輕質車身。車身概念設計模型符合電動車輛目前的所有碰撞要求。與傳統鋼結構相比，重量顯著減輕。

生產大型功能集成模塊的選擇策略證明了提高由纖維增強材料制成部件成本效益的方法是實用的。 目目標的實現得益于全新的Ultra-RTM工藝和先進的局部定制的D-LFT工藝，以及降低工藝溫度的噴涂技術和新的連接技術。