碳纤维和仿生设计让赛车达到最佳性能 | 上海复材展 | 碳材料大会

保时捷与 Action Composites 合作，设计并制造了一种创新的碳纤维安全笼，以减轻其系列赛车之一的重量，并采用一次性压缩成型工艺制造。

保时捷着手设计其 2023 款 911 GT3 RS 车辆，以实现赛道上的最佳性能。尽管国际汽联规定正式比赛的车辆必须使用钢制防滚架，但该公司为寻求公路车辆最高速度的欧洲客户设计了重量优化的钛合金，现在又推出了碳纤维复合材料选项。

在赛车设计方面，汽车结构中每减轻一点重量，就意味着速度和性能的提高。2019 年，保时捷（德国斯图加特）赛车运动部门试图重新设计其 911 GT3 RS 车辆的防滚架，以尽可能减轻重量。

“国际汽联 (FIA) 规定赛车必须使用钢制防滚架，因为到目前为止，这些防滚架是制造和焊接最简单的材料，”保时捷专业赛车轻量化设计专家 Thiemo Erb 解释道。

“但保时捷有很多客户并不一定想要一辆车参加比赛——他们想要一辆可以在公路上驾驶，然后在周日下午在赛道上驾驶的豪华赛车。他们希望它像赛车一样快速而安全，”斯图加特大学建筑技术与技术设计学院 (IKTD) 教授 Philipp Berendes 补充道。IKTD 是该项目的学术合作伙伴，负责该部件的设计、开发和模拟。

客户对赛车型公路车的需求让保时捷得以自由地在其防滚架设计中测试替代材料——在第一次重新设计中，该公司成功开发出一种钛合金防滚架，将零件重量减少了约 20%。“但我们一直在寻找下一个目标，所以在那之后，我们决定看看我们能否更进一步，开发出碳纤维复合材料版本，”Erb 说。

设计结果

• 重新设计金属需要改变形状以满足 FIA 负载要求。
• 开发了三步“仿生”设计流程，以优化有机几何形状和铺层设计。
• 与钛相比，重量减轻了 15%，与钢相比，重量减轻了 40%。

除了减轻重量（与钛合金版本相比），复合材料重新设计的目标还在于笼架的双重作用，即既是视觉元素又是乘客安全部件。虽然碳纤维笼架不符合 FIA 认证赛车的资格，但它仍需满足 FIA 的负载要求，以确保乘客安全，包括无遮挡设计，以最大限度地提高车辆后部的可视性，以及保时捷的高端美感。

起初，设计团队用碳纤维复合材料模拟了原始笼子几何形状，“但我们很快意识到材料的变化意味着整个概念必须改变，”埃尔布说。

三步“仿生”设计流程

保时捷开发并采用了碳纤维防滚架的三步设计流程：拓扑优化、铺层建模和几何优化。据 Erb 介绍，保时捷使用了其内部建模软件，该软件专门针对此应用进行了调整。

Berendes 表示：“第一步 [拓扑优化] 是确定大致形状。”这要从有限元分析 (FEA) 建模开始，考虑到设计空间以及碰撞和负载要求。他解释说：“我们首先尝试让钢笼形状适用于碳纤维，但很快意识到我们需要不同的形状，于是我们开始进行优化。”

为什么需要改变形状？“在发生碰撞时，笼子可以保护乘客，但碳纤维在撞击时会迅速断裂，并且只有少量的局部变形，”Berendes 说。“原始金属部件的设计是为了延长金属的伸长率和变形时间。”典型的金属笼子的“X”形需要更多的材料才能满足所需的负载要求，这将违背减轻重量的目标。“对于碳纤维，你需要开发一种形状，在撞击时，负载可以以某种方式沿着部件向下传递，”他补充道。

“在这一步，你要进行优化，比如建模挠度、减少横梁张力、确保留出适当的空间以便你能够透过后视镜看到所有细节，”Berendes 说。“此时，我们就有了优化的设计形状，如果原始设计是‘X’，那么新设计看起来有点像吊带，如果你愿意的话。”

在三步设计过程中，保时捷团队优化了笼子的几何形状、铺层安排和制造工艺，以实现碳纤维与金属的冲击性能，从而形成了一种新的“吊带式”形状。来源 | 保时捷

第二步，保时捷设计团队开始基于拓扑模型构建所谓的小规模 FE“替代”模型，旨在确定初始复合材料铺层和铺层计划。

第三步，使用 FEA 建模进行形状/几何优化，做出最终修改。连接螺柱和横梁以及它们在防滚架上的连接点也在此步骤中设计。

Berendes 指出，这一步得益于内部使用的软件，该软件可以根据新输入的数据自动优化和迭代设计。“有一个自动化流程可以相当快地将这些数据放回到 FE 中，并得到答案，即建议是否可行，或者是否需要更改或修改。它真的很快，”他说。

当保时捷工程和设计团队最终确定零件设计时，该公司开始向其几家制造合作伙伴索取报价。对于这个项目，该公司选择了一级汽车供应商Action Composites GmbH（奥地利里德因克赖斯）。Action Composites 成立于 2011 年，专门为高端和大批量汽车制造商设计、开发和生产碳纤维复合材料部件，多年来一直与保时捷密切合作，并为各种客户制造了 A 级视觉部件以及全复合材料或混合车轮、线圈和稳定杆。

“这个笼子的概念非常独特，所以我们必须考虑可能使用的不同制造方法。我们被 Action Composites 的概念所折服，所以我们开始与他们合作开发第一个原型，”Erb 说。“在最终开发过程中，我们一直与他们保持联系。”

保时捷将用于该项目的三步设计流程和软件称为“仿生”设计，最终形成了一种“具有生物触感”的有机优化形状，Erb 表示，并指出其与树枝的相似性。他补充说，这种方法现在可以用于需要进行实质性设计变更的未来项目。

材料与制造

最初的目标是用碳纤维重新设计钛质防滚架，但具体的材料选择过程是保时捷和 Action Composites 合作完成的，其中考虑了零件几何形状、重量优化、模具设计和制造方法。

最终，超过 90% 的全复合材料笼子由单向 (UD) 碳纤维/环氧预浸料制成，以尽可能减少材料使用量和重量，实现最大强度和抗冲击性。然而，从零件上看，这一点并不明显，因为最外层由 2 × 2 斜纹碳纤维/环氧预浸料制成，并采用 A 级表面处理，以实现所需的外观。

Action Composites 北美大客户经理 Joest Hoekstra 指出：“UD 纤维使我们能够以某种方式排列材料，从而以最少的材料消耗获得最大的力。”

Erb 强调，平衡成本效益和性能是关键。“这是一款每年生产数千辆的系列汽车。它必须具有成本效益，而且必须物有所值。碳纤维的设计成本将高于我们已有的钛合金版本，因此我们必须确保它的性能有显著提升。”

笼子由 90% 单向 (UD) 碳纤维/环氧预浸料制成，外壳由斜纹织物预浸料制成，以达到所需的美感。

关于成本效益，Hoekstra 指出，所用材料是现成的预浸料，Action Composites 已将其融入各种车辆部件，包括非高端车辆。“汽车本身可能是一辆豪华车，但保时捷并没有过度使用。他们没有为此定制特殊材料——这些材料是我们根据经验知道有效的。”

这个部件是如何制造的？这个部件的挑战在于一次性制造出一个复杂的空心结构，并采用可见的碳纤维 A 级饰面 — 并且采用可重复的工艺。Hoekstra 补充道：“满足行业标准非常重要，因此当然需要保持一致性，并且能够始终以相同的方式生产部件，尤其是安全部件。”

据 Hoekstra 介绍，该部件由两部分组成：预制外壳采用斜纹碳纤维预浸料制成，以形成所需的 A 级表面，并与由 UD 预浸料组成的结构笼共同固结。对于 UD 预浸料结构部件，将层铺设在复杂的囊模上，该囊模将每个管和节点元件整合到一个部件上。然后将整个结构放入压缩模具中进行固结。在环境温度下冷却一段时间后，囊模被移除。“我们使用钢制工具，这使我们能够保持相当小的公差并实现 A 级饰面，”Hoekstra 指出。

开发制造工艺所面临的挑战包括需要将金属部件连接到保持架的某些部分，“这需要新的复杂工艺步骤”，Hoekstra 说，此外整个部件需要上漆，同时还要满足严格的车辆内饰材料排放规定。

测试和结果

Erb 表示：“你不能驾驶这辆车参加 FIA 认证的比赛，但尽管如此，我们认为所有适用于钢制笼子的测试也应该适用于钛和碳纤维笼子。有些测试[FIA 的“安全笼认证规定”] 需要先在独立式笼子上进行，然后对车辆本身进行测试，包括安装好的笼子。”

在开发过程中，Action Composites 能够使用自己的测试设备进行一些初始原型测试，但最终的验证和测试由保时捷完成。结果如何？“我们实现了我们期望的显著减重，与钛合金相比减重约 15%，与钢合金相比减重约 40%”，Erb 说道。“重量减轻意味着赛道上的单圈时间和转弯时间更快。”

Erb 补充说，虽然这款防滚架的设计过程最为复杂，但它并不是这款车上唯一的碳纤维复合材料选件：保时捷的可选超轻量“Weissach”套件包括碳纤维防滚架和防倾杆以及镁合金轮辋。该车还配有碳纤维增强聚合物 (CFRP) 车门、前后轴上的稳定器、后轴上的联轴杆和 CFRP 剪。前盖、车顶和外后视镜的上半部分也采用碳纤维编织饰面，尾翼部分采用碳纤维编织饰面。

对于 Action Composites 来说，该项目代表了其汽车业务的一个里程碑。“我们制作了很多可见的碳纤维部件，例如后视镜盖，它们赋予汽车高档的美感，但不会影响性能，”Hoekstra 说。“我们还制作了一些结构性或性能驱动部件，例如稳定杆，但这些部件位于车辆下方，您看不到它们。但是，如果您可以使用碳纤维来减轻重量并提高性能，并且它是可见的部件，那么这就是一辆相当高科技的汽车。”

商业发布、JEC 创新奖和后续步骤

该设计为保时捷和 Action Composites 赢得了 2023 年 JEC 汽车和道路运输（设计部件）类别的创新奖。

保时捷于 2022 年底开始为其 2023 款 911 GT3 RS（目前仅限欧洲客户）提供碳纤维复合材料防滚架作为选配。2023 年，Action Composites 和保时捷与项目合作伙伴 IKTD 和 Kube GmbH Ingenieurburo（德国普洛兴根）一起获得了JEC 世界创新奖，他们为工程和验证做出了贡献。

笼子本身是在 Action Composites 位于亚洲的一家生产工厂生产的，然后交付给斯图加特的保时捷。Action Composites 总部位于奥地利，目前在中国和越南设有生产线，在奥地利和美国密歇根州设有物流仓库

胡克斯特拉指出，当碳纤维复合材料部件成为车辆的几种选择之一时，结果并不确定，但在这种情况下，“采用率比我们想象的要高得多”。

他补充道：“我们与保时捷的合作关系早在 Action Composites 成立之前就已存在。我们不仅努力不断提供高质量的系列零件，而且重视这样的合作关系，我们可以真正合作开发前所未有的新产品。”

Berendes 指出：“从工程师的角度来看，这是一个具有里程碑意义的技术项目。我们实现了前所未有的成就。”据说这也是街头合法系列车辆中的第一个 CFRP 防滚架。

Erb 补充道：“开发过程主要是在新冠疫情期间进行的，因此当然也存在一些挑战。但我们仍然设法在此类车辆的典型开发时间范围内开发了整车和防滚架选项。”

继此成功之后，保时捷计划继续为其赛车的类似部件开发碳纤维复合材料选项，不过 Erb 补充说，在做出设计决策时，必须始终考虑特定项目的车辆数量。“这种特殊的设计仍然需要大量的手工劳动，因此不能用于更大的系列部件。我们需要在未来更加专注于实现流程自动化，以迈出下一步。”