一 前言

随着汽车保有量的增长，汽车造成的能源消耗与污染物排放问题逐渐凸显，国家对于汽车能耗的法规也日趋严格，低能耗已成为汽车产业发展的必然趋势，汽车轻量化作为实现这一目标的关键技术，受到了中外各个车企的极大重视，而轻量化材料的应用是实现车辆减重最直接有效的手段。因此镁铝合金、高强钢碳纤维复合材料等轻量化材料大面积应用于汽车设计过程中。

然而，随着各类法规以及NCAP对碰撞工况下车身结构耐撞性要求的日益提高，对相应车用材料力学性能方面的研究也提出了更为苛刻的要求，高速碰撞变形工况下的材料动态力学性能研究即为其中之一，新型轻量化材料的大范围应用也为汽车车身结构安全设计领域的发展带来机遇与挑战。

汽车轻量化技术包括汽车结构的合理设计和轻量化材料的使用两大方面。一方面，汽车轻量化与材料密切相关；另一方面，优化汽车结构设计也是实现汽车轻量化的有效途径。与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展。

汽车轻量化技术主要包括汽车结构合理设计和轻量化材料应用两个方面。其一，汽车轻量化与材料密切相关；其二，优化汽车结构设计是实现汽车轻量化的有效途径。与汽车自身质量下降相对应，汽车轻量化技术不断发展，主要表现在三个方面。

（1）轻量化材料的使用量日益增加，铝合金、钛合金、镁合金、高强度钢、碳纤维复合材料、塑料，以及陶瓷等材料的应用越来越多。

（2）依靠技术辅助集成技术和结构分析等技术的发展，结构优化和零部件模块化设计水平不断提高，例如采用前轮驱动、高刚性结构和超轻悬架结构等技术达到轻量化的目的。

（3）推动汽车制造业在连接技术与成形方法上不断创新与提高。

二 车用轻量化复合材料全新特征

碳纤维复合材料是极好的结构功能一体化工程材料，是一种极具潜力的材料，具有优异的结构整体性。伴随碳纤维复合材料制备工艺的不断进步，其制作成本也不断下降，碳纤维复合材料的应用逐渐由原有的航空、航天等军用领域扩展到工业及民用领域。碳纤维材料在汽车行业具有非常广阔的应用前景，例如：宝马M3、宝马i8和特斯拉汽车开闭件，起亚I3的前保险杠以及凯迪拉克的前后防撞梁等。碳纤维材料在汽车中的应用见图1。

图1 碳纤维材料在汽车中的应用

尽管碳纤维复合材料具有较好的整体性，然而整体力学行为、动态力学响应、各向异性行为、断裂破坏行为和连接粘接效应等材料特性，是车用碳纤维材料大规模推广应用过程中新材料轻量化技术研究人员要关注的重点。

碳纤维材料整体结构较传统材料要复杂得多，不合理的设计将造成其整体结构的灾难性破坏，并直接影响整体结构的耐久性与可靠性，因此需要对碳纤维复合材料进行深入广泛的分析与研究。

碳纤维材料的制作工艺包括碳纤维丝织布、预浸布、铺层和固化等几个步骤。这一系列步骤中既涉及原材料的物理变化又有材料内部的分子结构变化。在车辆CAE分析及设计过程中，不可避免要面对碳纤维材料本身的材料力学性能的独特性和复杂性。

初始阶段碳纤维材料车辆框架结构设计过程中，需考虑其不同方向上会呈现不同的材料性能。一般碳纤维材料表现为正交各向异性，在沿纤维轴方向表现出很高的强度，其抗拉强度能达到钢材的7～9倍，但在纤维90°方向强度极低。

因为碳纤维材料的结构形式更加复杂，所以破坏失效形式也更加多样化，为车辆碰撞安全分析设计带来很大的难度。其破坏主要表现为以下几个形式：

（1）对冲击的敏感性，特别是对低速冲击非常敏感；

（2）损伤扩展不明显，几乎没有材料的屈服阶段，即破坏几乎没有预警时间；

（3）静强度和疲劳强度的分散性均高于一般结构材料，即材料性能批次均衡性交叉。

与此同时，碳纤维材料本身的使用寿命较短，作为复合材料基体的树脂，耐久性要弱于金属。光老化、高低温和酸碱性等外部环境条件都会加速其老化过程，继而发生发黄、龟裂和发脆等问题。在车辆安全设计中，若不能准确预测材料耐久老化性能，将对车辆安全性能造成极大影响。

三 国内外轻量化材料性能应用的测试技术及评价方法现状

（一）国际轻量化材料性能的测试情况及评价方法

汽车行业是新材料的最大金主之一。现在在汽车业流行的轻量化进程，也给新材料发展提供了广阔的空间和竞技平台。不过，