摘 要

车身是电动汽车的重要部件，它对汽车的形态和功能有着很大的影响，其结构也非常复杂。车身的功能主要分为三点：提供安全舒适的乘车空间、发动机等行驶时所需部件的装配和车身的造型不可与功能分开考虑。车身的这三个功能不是各自独立而是相互影响的，车身应确保发动机、传动系及悬架的安装，还要保证乘员和载货所需的必要空间。

本文以比亚迪E6纯电动四驱轿车的要求为标准，参照汽车设计的一般原则和方法，对电动汽车车身进行了结构设计，应用大型CAD工程软件、solidworks建立了电动汽车车身的三维模型；通过文献搜索和资料整理，深入了解了国内外碳纤维复合材料的应用现状和碳纤维车身结构的研究现状；结合现代大部分汽车车身结构的开发流程和设计要素，阐述了应用碳纤维复合材料设计纯电动汽车车身结构的准则和方法，并研究了碳纤维复合材料纯电动汽车车身的成型工艺，然后利用有限元分析完成电动汽车车身部件的分析与校核工作。

关键词：纯电动汽车；碳纤维复合材料；有限元分析；概念设计

Abstract

Body is an important part of electric vehicle, it has a great impact on the shape and function of the car, and its structure is also very complex. The function of the body is mainly divided into three points: to provide safe and comfortable ride space, the assembly of the components needed by the engine and the modeling of the body can not be considered separately from the function. These three functions of the body are not independent but interactive. The body should ensure the installation of the engine, transmission and suspension, as well as the necessary space for crew and cargo.

In this paper, according to the requirements of BYD E6 pure electric four-wheel drive car, referring to the general principles and methods of automobile design, the structure of electric vehicle body is designed, and the three-dimensional model of electric vehicle body is established by using large CAD engineering software and solidworks. Through literature search and data collation, the application status of carbon fiber composites at home and abroad and the research status of carbon fiber body structure are deeply understood. Combined with the development process and design elements of most modern automobile body structures, this paper expounds the criteria and methods of designing pure electric vehicle body structure with carbon fiber composites, and studies the carbon fiber composites. The forming technology of pure electric vehicle body is completed, and then the finite element analysis is used to complete the analysis and check of the body parts of electric vehicle.

Key Word: Pure electric vehicle; carbon fiber composite; finite element analysis; conceptual design

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 研究背景 1

1.1.2 研究意义 3

1.2 碳纤维复合材料的应用现状 3

1.2.1 国外应用现状 3

1.2.2 国内应用现状 4

1.3 碳纤维复合材料优化设计的研究现状 5

1.3.1 国外研究现状 5

1.3.2 国内研究现状 6

1.4 本文研究内容与章节安排 6

第2章 车身结构概念设计方法的研究 7

2.1 现代主流车身结构开发流程与设计要素 7

2.1.1 现代主流车身结构开发流程 7

2.1.2 现代主流车身结构设计要素 8

2.2 本文电动汽车的设计方案 10

2.2.1 车身设计参考 10

2.2.2 车身设计参数 10

第3章 碳纤维复合材料车身结构设计指标 14

3.1 碳纤维复合材料简介及特性 14

3.1.1 碳纤维复合材料的简介 14

3.1.2 碳纤维复合材料的特性 14

3.2 碳纤维复合材料的力学性能 17

3.3.1 树脂传递模塑（RTM） 17

3.3.2 热压罐成型工艺 18

3.3.3 模压成型工艺 18

第4章 碳纤维复合材料车身结构优化设计 20

4.1 可行性分析（有限元分析法） 20

4.1.1弯曲刚度有限元分析过程： 20

4.1.2 扭转工况有限元分析 25

4.2电动车碳纤维车身结构优化方向 29

4.2.1 轻量化 29

4.2.2 耐久性 29

4.2.3 安全性 29

4.2.4 美观性 30

第5章 结论与展望 31

参考文献 32

致谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 研究背景

汽车的发展有着十分悠久的历史，近年来，全球经 济迅猛发展，人们的收入水平不断提高，人们对汽车的 需 求 量也越来越大。在当前整个汽车市场上，燃油汽车 占 据 最主要的地位，燃油汽车的发展给寰球环境造成了很严重的不良影响，比如噪声污染和尾气污染，能 源 枯 竭 和 环 境恶化严重妨碍了经济的可持续发展。在这种背景下，人们越来越关注汽车行业的发展，美国、欧洲等经济发达的国家不惜花费大量的人力、物力、财力来研究纯电动汽车。作为最大的发展中国家的中国，近几年发展速度非常快，在各个 领 域 都 取得了好的成果。随着经济水平的提高，汽车的需求量不断增长，相应的，汽车销售量逐年增长。2013年到2018年全球新能源纯电动汽车年产销量增长迅猛，2018年纯电动汽车销 量突破200万辆^[1]，如图1.1。

年份

图1.1 2013-2017年全球电动汽车销量

我国电动汽车虽然发展迅速，但仍然面临很大的问题，纯电动 汽 车 电 池 的 比 能量，比功率 低 严 重 影响了汽车的续航里程。国内电动汽车行业为了实 现 可 持 续 发展，一直在不断的进行研发，更新思路，国内首台采用碳纤维复合材料制成 车 身 的 民 用 客车在2014年研制成功，这种用碳纤维复合材料制成的客车比传统的大巴车要轻，在同样的电耗情况下，每 小 时 可 多 行 驶 5 公 里。

国外电动汽车的碳 纤 维 车 身 技 术发展得十分迅速。雷 克 萨 斯LFA 研 发 团队对碳纤维复合材料的成型工艺和生产技术进行了深入的钻研。他们发现电动汽车车身 用 65% 的 碳纤维复合材料和 35% 的 铝 合 金 材 料 构成，要比用 铝 构 成 的 车 身 轻1001千克左右。而且前者的结构更加的坚固^[2]。2011年宝马推出了一款 全 新 概 念 车Hommage，这款概念车是采用轻量化碳纤维复合材料制成的，整 车 质 量 只 有780千克^[2]。宝马表示未来会推出更多的采用碳纤维复合材料制成车身的电动汽车，而且新电动车不仅仅在车身应用碳纤维复合材料，底盘也会采用碳纤维增强热固性塑料。

图1.2 宝马Hommage全新概念车（http://auto.fengniao.com）

另外，梅赛德斯 奔驰SLR超级跑车也在车身上大 量采用碳纤维复合材料，几乎覆盖了整个车身，这款跑车搭载了240千克电池包，但是它的重量不超过850千克^[2]，碳纤维复合材料在车身的大量应用，使得该跑车在碰撞中具有很高的能量吸收率。电动汽车在各全球的不断发展也给车身结构的设计提出了更高的要求，为了满足这种要求，复合材料被广泛的应用到车身结构的设计中，把碳纤维复合材料应用到车身结构的设计中可以很好的实现车身的轻量化，它被认为是实现轻量化的最理想的材料。而且各大汽车厂商紧跟时代步伐，对碳纤维复合材料进行了大量深入的钻研，使得这种材料也不断被大众广泛接受。

1.1.2 研究意义

电动汽车的发展可以大大减少对石油资源的依赖，同时也可以减轻对环境的污染，有利于保护环境，实现国家的绿色发展、可持续发展。当前，“绿色汽车”理念深入人心，各大汽车制造商非常乐于贯彻“绿色”理念，研发电动汽车。电动汽车将成为未来汽车产业的制高点，但是在未来很长一段时间里电动汽车的发展将受到电池技术的阻碍。碳纤维复合材料将在很大程度上可以帮助电动汽车行业走出困境，碳纤维复合材料因其重量轻、高强度、耐高温等特殊的优异性能，成为实现汽车车身轻量化的最理想的材料，大规模的将其应用到车身结构的设计中可以大大减轻电动汽车车身的重量，提高其续航里程。

1.2 碳纤维复合材料的应用现状

1.2.1 国外应用现状

碳纤维复合材料是一种以聚丙烯腈（PAN）、粘胶纤维、等为原丝，经预氧化和碳化制得的含碳量90%以上的特种材料^[3]。碳纤维有很多优异性能如耐高温、抗腐蚀性好、耐摩擦等。碳纤维最早是为了满足火箭、航空、航天等高端技术的需求，随着学者们不断的开发研究，碳纤维复合材料的许多优点被发掘出来，当前碳纤维材料被广泛的应用于航空航天、体育休闲、汽车制造等领域，如图1.3所示。

图1.3 2014年全球碳纤维市场用量（http:qichecailiao.com）

美国、日本和法国等一些发达国家较为广泛的生产和使用碳纤维复合材料，这些国家是碳纤维复合材料的主要生产国，世界上绝大部分的碳纤维复合材料都由他们生产。不同的国家应用碳纤维复合材料的主要领域有所不同，但大致都集中在航空航天、汽车制造、体育用品、风电叶片等领域。美国和欧洲等发达国家的碳纤维复合材料主要被应用于航天航空，汽车等行业，例如世界上最大的飞机空客A380，其机身段、舱壁板等大量使用碳纤维复合材料。占结构重量的25%^[3]，碳纤维复合材料的使用为其机身的轻量化做出了巨大的贡献，使用碳纤维复合材料制造的机身重量大大减轻。还有波音787，它是迄今为止应用碳纤维复合材料最多的机型，它把碳纤维复合材料应用到机身段、机尾翼、升降舵、方向舵等部件上，复合材料的应用约占其结构重量的50%^[3]，如图1.4所示。碳纤维复合材料在机身制造中的使用大大减轻了飞机重量，从而有利于降低飞机航行的油耗，大大节约了飞机的成本。美国在其军用飞机领域也大量的使用碳纤维复合材料，以美国猛禽战斗机F-22和B2隐形轰炸机为例，它们使用了在其机身结构中使用了大量的碳纤维复合材料，其用量超过了整个机身重量的35%^[3]，这就使得它们的飞机重量大大减少，从而也提高了飞机航行的速度、飞行的距离，总的来说就是提高了整个飞机的性能。

图1.4 波音787宽体客机的碳纤维复合材料用量（www.qctester.com）

碳纤维复合材料技术不停的进步和提高，使得大型运载火箭在制造过程中越来越多的使用碳纤维复合材料。美国在火箭运载和导弹领域大量应用碳纤维复合材料，如三叉戟-2导弹、战斧式巡航导弹、大力神-4火箭等^[3]。美国也把碳纤维复合材料应用到了通讯卫星领域，ACTS通信卫星把碳纤维复合材料应用到装配的反射天线、接收天线、遥控天线等结构部件上去。日本主要把碳纤维复合材料应用于汽车制造和体育器材领域，日本碳纤维生产企业的引领者就是日本东丽公司，它也算是世界碳纤维生产企业中的一大巨头，它在PAN基碳纤维研制生产中起步最早。1972年在太平洋高尔夫大师赛中，日本选手利用碳纤维复合材料制成的球杆拿下了冠军。2011年宝马i3量产车正式发布，该车大量应用碳纤维复合材料，2014年i3正式在中国市场上亮相。

1.2.2 国内应用现状

20世纪70年代是我国正式研制碳纤维复合材料的开端，跟国外比起来，我国的碳纤维复合材料行业技术处于落后的状态，许多技术发展不成熟，然后碳纤维的需求量却在不停的增长。近年来，在国内学者的刻苦专研和深入探究下，我国碳纤维的技术一直在不断进步，航天卫星、飞机制造等各个领域大量都普遍的使用碳纤维复合材料。但是从整体上来看，我国国内企业仍然没有把碳纤维生产的核心技术上牢牢掌握在自己手里，生产碳纤维复合材料产品的技术、产品的质量，还有产品的生产规模等方面都远远落后于国外发达国家。国内的绝大部分高性能碳纤维复合材料都要想国外发达国家进口，其价格十分昂贵。尽管如此，近年来中国企业也在不断的通过自身的努力缩小于发达国家的差距，我国碳纤维的生产能力和成型制造技术在不断的提高，产业化能力也在不断的提高。康得复合材料有限责任公司在碳纤维复合材料的成型技术和汽车轻量化方面做出了巨大的贡献。康得复合材料有限责任公司公司在JEC展览会上首发展示出一款全部使用碳纤维复合材料的车身，康得复合材料有限责任公司还发布了碳纤维车体工业4.0智能制造平台。国产大型客机C919在其机身上大量的应用碳纤维复合材料，用量达飞机结构重量的12%^[4]，如图1.5所示。我国的碳纤维复合材料技术虽然与国外相比有很大的差距，但是相比以前，已经取得了很大的进步，我国2020年碳纤维的综合竞争能力有望追赶上发达国家的步伐。

图1.5 国产C919客机碳纤维材料使用情况（www.sohu.com）

1.3 碳纤维复合材料优化设计的研究现状

1.3.1 国外研究现状

Mohamad Abu-Shams等人进行适当的建模，并进行最优的梁设计。复合材料梁的动力力学分析，确定了汽车结构设计中应用碳纤维复合材料梁的可行性^[5]。为了优化复合材料层和板的铺层顺序，Park等人应用Memetic技术，利用遗传算法计算出不同约束情况下的最优铺层顺序^[6]。Eamon构建有限元模型，使用有限元分析法和可行方向法，把铺层厚度作为优化变量，以强度失效准则作为约束，进而实现对电动汽车结构的优化设计^[7]。

1.3.2 国内研究现状

刘公保根据碳纤维复合材料的力学性能特点，建立了碳纤维复合材料车身刚度链数学模型，将碳纤维复合材料应用到非承载式电动汽车车身结构的设计中。他采用以刚度性能为主的车身正向设计法，结合遗传算法和有限元分析对车身主断面的铺层厚度进行了优化，得到了合理的参数，论证了复合材料在车身结构中的可行性^[8]。王晓军将碳纤维复合材料应用到电动汽车前机舱盖板的轻量化设计上，他对CFRP前机舱盖板采用两种方法进行优化，第一种是以单层铺层厚度为变量对其进行优化，第二种是多阶段优化^[9]。廖先才将碳纤维复合材料用于电动汽车地板结构轻量化设计上，他对钢车身地板结构进行有限元建模与分析，建立了评价指标，使用碳纤维复合材料对地板进行设计，并用钢地板的性能参数对碳纤维复合材料地板进行了优化，从而确立了轻量化的设计方案^[10]。田凯对碳纤维复合材料的防撞梁进行铺层设计，设计电动汽车保险杠防撞梁轻量化的方案。他建立电动汽车前端结构低、高速碰撞仿真有限元模型，并进行实车实验，得出碰撞指标仿真曲线，为碳纤维防撞梁设计提供参考^[11]。柳建伟应用ABAQUS有限元分析软件，对碳纤维复合材料电池壳在不同工况下进行有限元分析与研究，得出碳纤维电池壳的质量为44.2kg，减重效果达50%^[12]。

1.4 本文研究内容与章节安排

通过对碳纤维复合材料国内外应用现状以及碳纤维复合材料车身结构优化设计的研究现状分析，本文以碳纤维复合材料车身为研究对象，主要完成车身的建模工作，以及对车身进行有限元分析。论文共分为4个章节，每个章节的具体研究内容如下：

第1章 绪论。通过文献的查阅和分析，主要阐述了课题的研究背景和意义；介绍了国内外碳纤维复合材料的应用现状；分析了碳纤维复合材料车身结构优化设计的国内外研究现状。

第2章 车身结构概念设计方法的研究。通过相关书籍和文献的查阅，阐述了现代主流车身结构的开发流程及设计要素，建立了纯电动汽车简化模型，并说明了其设计方案。

第3章 碳纤维复合材料车身结构设计指标。介绍了碳纤维复合材料的基本概念、性能指标和成型工艺。

第4章 碳纤维复合材料车身结构优化设计。对本文所设计的车身结构进行有限元分析，证明其可行性；阐述电动汽车车身采用碳纤维复合材料的优势。

第2章 车身结构概念设计方法的研究

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