汽车复合材料解决方案
一、汽车轻量化及复合材料必要性
伴随着汽车工业的发展，汽车产量和保有量逐渐增加，汽车在给人们出行带来方便的同时，也产生了油耗、安全和环保三大问题。为保证汽车工业的健康发展，各国针对汽车工业发展产生的三大问题，制定了相应的法规。包括油耗法规、正碰和侧碰的安全法规，以及排放法规各国汽车工业认为：满足各项严格法规要求极为有效的手段是采取高强度轻量化材料，以使满足汽车轻量化降低油耗和排放的同时，保证汽车的安全性法规要求。
汽车轻量化是提高汽车动力性、舒适性进而提高竞争力的必须。汽车质量减少，减小动力和动力传动系统负荷，可在较低的牵引负荷下表现出同样或更好的性能。研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就可有效降低油耗及排放。目前，大量研究表明，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%。油耗的下降，意味着二氧化碳、氮氧化物等有害气体排放量的下降。
基于以上汽车轻量化方面的强烈的需求，世界各大汽车厂商陆续开发了各种轻量化材料，如
高强度钢，铝合金，镁合金，树脂基复合材料等。树脂基复合材料也称为纤维增强塑料（CFRP）, 它是以合成树脂为基体, 以纤维为增强材料, 经成型技术形成的一种新型复合材料。与钢铁材料铝合金等传统材料相比, 树脂基复合材料具有质量小、比强度高、耐腐蚀、减振性能好、可设计性强易于加工等优点, 在汽车工业中得到广泛应用。作为汽车上重要的轻量化材料, 树脂基复合材料越来越多地取代了传统的金属材料。实践证明, 在汽车上大量使用树脂基复合材料可以显著减轻汽车自重、降低油耗、提高汽车安全舒适性、减少环境污染和降低汽车的制造与使用综合成本, 它在汽车工业中应用前景十分广阔。
二、当前汽车复合材料存在的问题
复合材料在汽车上的应用长期以来主要集中于F1赛车、高档跑车等高端领域，近年来，随着轻量化的逐渐普及，一些电动及混合动力的车型逐渐面世，大众型的车辆上复合材料压力逐渐提高。中国的汽车工业直到最近几年才真正开始接触和引入与国际水平较为接近的塑料件和复合材料新技术, 随着轻量化概念的深入推广，复合材料在国内迎来了以消化吸收为主要目标的新发展时期, 并在实践中逐渐获得了中国汽车工业的认可。复合材料存在诸多明显的优势，但从材料本身及其设计方法方面仍然存在下述问题：
2.1连续长纤维材料逐渐代替短纤维材料
长期以来，以短纤维SMC为代表的热固性复合材料一直是汽车复合材料的主流。其主要有不饱和聚酯树脂、添加剂、短切玻璃纤维等混合制的一种片状模塑料，具有成本低廉、工艺快速等优点，在汽车行业得到了广泛应用。
长纤维复合材料（LFT）由于没有经过增强的SMC等短切纤维复合材料，具有更强的抗冲击性和耐用性，更低的质量，更短的成型周期和更好的回收性，因此自上世纪80年代推出以来越来越多受到汽车工业的青睐，在全球汽车工业得到高速的增长，长纤维复合材料目前已经广泛应用于汽车的防撞内杆、前端框架、仪表盘骨架、座椅骨架等结构件和半结构件。据统计，汽车行业已经占据了长纤维复合材料消费的80%。
碳纤维复合材料（CFRP）因其质量小，且具有高强度、高刚性及耐腐蚀等特点，因此是最理想的汽车轻量化材料。2003款克莱斯勒Viper运动车采用CFRP取代了钢材料制造底盘和车身外部构件，减重达68%，油耗下降40%。2013年底，宝马公司面向全球推出旗下第一款全电动汽车i3，其车身创造性地采用了全碳纤维复合材料，大幅减轻了整车质量，在抵消蓄电池组重量的同时，又符合安全标准。
2.2复合材料设计无有效的设计手段及工具
复合材料是一种“ 可设计” 的材料, 通过改变纤维或基体可以在极大范围内设计材料的性能, 但因其制造过程复杂, 使好的设计无法实现，或不能以合理的成本制造出来，传统设计方法、手段和技术的局限性，已经严重的阻碍了设计效率的提高，设计水平的提升，无法缩短设计周期。因此采用先进的设计方法、使用专业化的复合材料设计软件进行设计，是推动复合材料在汽车工业进一步发展的保障。
传统的设计方法是将金属材料直接替代为复合材料，采用经验式“积木式”设计方法，但设计方法和其材料许用值的确定缺乏科学方法，富裕度过大，导致复合材料的应用优势不明显。主流的CAE分析工具已经在复合材料的设计中得到一定规模的应用。但由于CAE的几何建模功能的局限性，在该软件中进行复合材料铺层的定义费时费力，十分不便，尤其是在进行设计更改时，操作相当繁琐，而且容易发生错误。由于复合材料的各向异性和纤维的组织形式，复合材料在铺敷到工装面时，各点处的真实纤维角度并不等同于所定义的铺层方向，特别是对于复杂曲面，纤维角度变化更为明显。由于复合材料的各向异性，纤维角度的变化将显著的影响结构强度等性能。CAE软件在进行铺层定义时，并不能计算出复
合材料部件各点处的纤维的真实方向，只能基于所指定的理想的纤维角度进行分析，因此分析结果将与真实的部件性能有相当大差异，分析结果的准确性无法保证。因此亟需一种复合材料设计软件为CAE提供铺层设计数据和真实的纤维方向数据，以充分发挥CAE软件的使用价值，提高复合材料部件的设计质量，减少设计成本。
三、西门子汽车复合材料解决方案
Siemens PLM是世界领先的工业软件供应商，提供专业的复合材料工具，它集成了复合材料的设计分析和制造流程，是目前航空航天、汽车等进行复合材料研发首要选择。
3.1解决方案概述
复合材料构件的最显著工艺特点是在完成材料制造的同时完成产品的制造。因此，复合材料构件的数字化定义与其它材料零件的定义方法有明显的区别，其数据不仅包含构件的几何信息、铺层信息，还要包含相关的材料制造信息等非几何数据。
西门子复合材料解决方案涵盖了复合材料前期的概念设计、有限元分析、结构设计、中期的详细铺层设计，铺层铺敷性分析，工艺设计，工装设计，后期的工程图纸，自动下料数
据、激光投影数据，自动铺带数据，RTM数据等。另外，在整个复合材料从设计到生产的全生命周期里，西门子还提供了全面的数据管理功能，方便企业内部多个不同的部门进行有效的数据传递及数据管理。
西门子PLM复合材料解决方案
NX CAD/CAE提供了复合材料前期的概念设计，强度，结构设计等工具。Teamcenter提供了复合材料全生命周期的数据管理。FiberSIM可以完全集成于用户已有的CAD（NX UG, CATIA,PROE）系统中，使CAD系统成为高性能的设计/制造复合材料构件的软件工具。该软件可以提供专业的工程设计环境，高效地处理复合材料及其结构的复杂性问题，能够捕捉CAD系统中复合材料构件的完整定义，管理复合材料数据，在项目内部共享复合材料构件的定义。FiberSIM复合材料工程设计环境见下图。
FiberSIM复合材料工程设计环境
FiberSIM软件独有的铺层仿真技术，能够预测复合材料如何与复杂的表面贴合，支持整个复合材料的工程过程，该软件使工程师同时在构件几何、材料、结构要求以及工艺过程约束之间进行权衡，使用FiberSIM软件，工程师能快速可视化铺层形状和纤维方向，在设计阶段即发现制造问题，并采取相应的纠正措施，实现DFM。从初步设计、详细设计直至制造车间，设计师借助该软件很容易创建和转换设计、工程图以及相关的数据，并使零件数据在FiberSIM软件、设计、制造以及商业应用之间进行交换和传递。FiberSIM可选模块有：分析接口模块、文档生成模块、平面图样输出模块、激光投影模块、纤维铺放接口等，以构件定义信息为源头，向强度分析、工艺设计、工装设计、制造过程仿真和相应的制造设备传递复合材料构件的几何信息、材料信息、铺层信息等。
3.2 复合材料构件结构设计
在设计阶段的产品定义过程中是以工程数据集为核心来组织数据，是支持产品数字化设计、制造全过程的基础，是制造、检验的重要依据。
（1）复合材料构件的三维模型定义
由于复合材料定义方法的特殊性和复杂性，构件的最终形状是由许多铺放在模具表面的铺层固化形成的，每个零件的不同区域厚度会有所不同，而且是逐步变化的，通过从设定的铺层信息直接生成铺层表面和三维实体，这些表面可用于制造数字实物模型，生成零件铺叠表面，产生配套工装的内表面和中间铺层表面等。某型号飞机座舱罩顶棚实体模型如图所示，三维实体用于定义构件的形状以及定位特征（如成形面的参考曲面，零件模型的定位点等几何信息），以便在重量和重心分析、数字化预装配、工装设计、运动部件的模拟运动分析等过程中应用。因此，复合材料构件三维实体建模的核心问题是表现材料制造信息的铺层设计。铺层设计中有两个重用的概念：铺层和铺层集，并且铺层集和铺层都有编号。
           
某飞机座舱罩顶棚铺层定义                  某飞机座舱罩顶棚实体模型
（2）复合材料构件的二维模型定义
在数据集中，三维模型是最主要的数据，但二维图纸模型也是必不可少的，一般由三维模型生成。FiberSIM提供的文档模块可以快速地将三维环境下的CAD铺层信息快速地生成对应的2维工程文档图。在模型的二维视图中，可以完整的定义出复合材料构件的结构形式和几何外形尺寸等信息，在目前生产实际中，二维图纸仍然是进行复合材料构件制造加工、检验、质量保证的重要依据，也是供应商评估和投标的重要依据。在复合材料构件的二维图纸上，需要有剖面示意图、铺层图、铺层标注、铺设取向标注以及铺层表等内容，铺层表用来对照零件的铺层、材料、取向等信息，如图所示。
复合材料构件二维图纸及铺层表的放大图
3.3复合材料构件有限元分析
设计初期需要对所设计的复合材料结构件进行有限元有关的计算，以确定其最终的铺层，疲劳，层间应力等方面性能。NX CAE提供专门的复合材料有限元建模工具 NX Laminate Composite模块，其集成与NX CAE下，能够进行有限元方面的建模，优化等分析工作。
NX CAE提供复合材料有限元分析
FiberSIM提供了分析接口模块，该模块可以将详细的零件铺层设计数据，包括铺层材料、铺层边界、铺层实际纤维方向等，传递给NX CAE分析软件，进行更精确和高效的分析和性能验证仿真。
NX CAE-Fibersim有限元接口
由于复合材料的各向异性和纤维的组织形式，复合材料在铺敷到工装面时，各点处的真实
纤维角度并不等同于所定义的铺层方向，特别对于复杂曲面，纤维角度变化更为明显。由于复合材料的各向异性，纤维角度的变化会显著的影响结构强度等性能。由于NX CAE分析软件在进行铺层定义时，并不能计算出复合材料部件各点处的纤维的真实方向，只能基于所指定的理想的纤维角度进行分析，因此分析结果将与真实的部件性能有差异，影响分析结果的准确性。FiberSIM可以精确计算纤维在工装表面的真实纤维方向，并可以通过分析接口将纤维方向数据传输至NX CAE，从而使得NX CAE建立接近于真实部件的有限元模型，分析结果更精确。
3.4复合材料构件工艺与工装设计
结合企业复合材料工艺设计及管理的特点，Fibersim提供具有企业特点的复合材料构件快速工艺设计系统。根据具体零件的不同的制造工艺，Fibersim提供准确的可制造性分析，能够提前模拟材料的制造缺陷问题，并根据不同的制造工艺，如手工铺敷，RTM，自动铺敷等进行对应的工艺设计。
实例：Fibersim汽车B柱铺层可制造性分析
Fibersim支持多种复合材料工艺设计
FiberSIM软件可以根据复材构件的实际铺层情况，快速地生成偏置曲面，该偏置曲面既可以用作干涉检查，亦可以直接用作工装面，用于加工模具。
3.5汽车碳纤维复合材料构件制造
复合材料构件的数字化制造技术主要是结合用户的软硬件的实际情况，包括复合材料自动下料、激光投影，自动铺带，RTM等各方面技术，提供直接用户设备的数据，无需第三方工具进行数据转换。
复合材料构件生产过程中，预浸料下料是一个费时、费力、繁琐的工序，我公司采用专门的数控切割设备－自动剪裁机进行预浸料的平面切割，实现预浸料的自动下料。应用FiberSIM软件设计的复合材料构件的每一三维铺层信息展开为二维铺层展开数据后，经铺层切割数据转换接口生成预浸料排样数据，直接输入自动剪裁机控制软件指导材料自动切割。自动剪裁的预浸料消除了手工下料样板，每一铺层的形状和纤维方向更加准确，并且都印有铺层编号，减少了铺放过程中的错误，其下料比手工下料效率可提高3倍以上，节约原材料20%左右。