2 車輛研測資訊 088期 2012-06

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一、 前 言

每當能源價格有所波動，就會直接影響社會的

經濟活動，特別面對現今的高油價時代，迫使許多

開車族除了祭出節能駕駛的法寶之外，甚至也有人

乾脆放棄開車，盡量改為搭乘大眾運輸工具、或是

選擇更為輕便的機車、腳踏車等作為代步工具；同

樣的，各大車廠為喚回消費者的心，自然也更為積

極開發省油且更有效率的汽車，除了新能源是重要

選項之外，另一項最能直接影響車輛油耗表現的就

是車身重量。

對於傳統內燃機汽車而言，車身輕量化是達成

節能與減少廢氣排放的關鍵之一。根據資料顯示，

若整車重量降低10%，燃油效率即可提高6%~8%。

因此，在同樣的、甚至更好的性能基礎下，如何讓

新一代車款比目前的產品重量更輕，就成為各家品

牌汽車工程團隊的頭號挑戰。

尋求車身輕量化，就不免會使人聯想到，以

「克」為減重目標的“一級方程式賽車”，其可謂

是車身輕量化最具代表性的極致範例。

F1賽車使用高性能碳纖維複合材料 (Carbon

Fiber reinforced Plastic，CFRP) 已超過25年，其車

身全部都是使用蜂巢結構的鋁合金、碳纖維與功夫

龍 (Kevlar) 製成，這也就是它為何這麼輕，卻可以

吸收在高速撞擊時巨大衝擊力的原因。

其實，碳纖維強化塑膠在汽車零組件生產方面

的應用可以追溯到大約10年前。但由於成本居高不

下，大多僅在高性能車的車頂等部位使用。然而，

隨著電動車對車身輕量化提出更高的要求，以平衡

新增加出的幾百公斤電池模組重量，於是碳纖維強

化塑膠在車身上所扮演的角色，便開始愈顯重要，

逐漸改變傳統汽車車身對鋼板和鎂、鋁等輕質金屬

的依賴 (如圖1)。

二、複合材料簡介

複合材料 (Composite materials)，是以一種基材

(Matrix)，加上補強材 (reinforcement) 組合而成的材

料。各種材料在性能上互相取長補短，產生協同效

對抗油電雙漲，要想省油還可以這樣做!!

漫談複合材料於車輛產品輕量化之應用

車輛研究測試中心 林俊志

▲ 圖1、複合材料應用於車用零組件

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專 題 報 導

應，使複合材料的綜合性能優於原組成材料，從而

滿足各種不同的要求。

(一) CFRP的機械性質

通常複合材料皆泛指「碳纖維樹脂複合

材-CFRP」。碳纖維是一種力學性能相當優異的材

料，它具有高比剛性、高比強度以及耐疲勞性，

一般CFRP的抗拉強度大約都在1,240 Mpa，是鋁合

金的6~7倍，楊氏係數(Young's modulus)為230~430

Gpa，亦高於鋼，但是它的比重卻不到鋼的1/4(鋼材

密度7,850 kg/m3；CFRP密度1,500 kg/m3)，由此即

可說明為何CFRP常被應用於需要輕量化的零組件

上。

(二) 複材成型製程介紹

複材成型製程種類繁多，對於不同的產品採用

不同的生產製程，以達到降低成本、提升產量的目

的，針對於汽車零組件，常用且較具代表性的製程

包括手基層、模壓成型法、以及樹脂轉注成型法。

不過，複合材料的應用也未必百分百完美，其

中最讓人詬病的是，它的生產週期與金屬板金相比

來得較長 (金屬板金只需幾秒，複合材料需2~3小

時)，難以跟上車廠所需的產量，也因為如此，各

家車廠對於複合材料的應用，目前遲遲還無法進入

實現量產的階段。

可喜的是，全球C F R P化工大廠 -日本東麗

(Toray)持續在製程上不斷改進，發展出以模型內

放置碳纖維基材並浸漬樹脂，使其硬化的RTM法

(Resin Transfer Molding)，並以此為基礎與日產汽車

等共同開發出了CFRTS高速成形法「高週期一體成

型」技術，將原本長達2~3小時的生產週期縮短至

10分鐘。此生產製程的開發，對於解決的複材結構

件生產時間過長的問題，已有長足的進步，但與金

屬沖壓的鈑金件相比，仍尚有一段距離。

(三) 複合材料的破壞行為

雖然碳纖維複材擁有相當高的強度，但是由於

複合材料具有材料方向性，有別於等向性的金屬材

料，若受力方向並非在纖維走向，則很容易達到破

壞；除此之外，以樹脂構成的基材，在複雜的受力

情況下，也可能產生基材斷裂或者是界面脫黏。因

此，複材的破壞模式，可廣義的分為：基材斷裂、

界面脫黏、纖維斷裂如圖2所示。

其中，基材斷裂與界面脫黏可歸類為膠合介

面的破壞。主導膠合介面強度的因素主要有二，

Cohesion及Adhesion。Cohesion代表的是膠料本身

的強度；adhesion則是膠料與接著物間的吸引力。

一般而言，Adhesion的強度相對於Cohesion弱上許

多。

BMW負責CFRP項目的相關部門也曾表示，常

規材料難以與碳纖維強化塑膠相比。因為這種特殊

的複合材料結合了許多獨特的優點，它由塑膠基體

▲ 圖2、複材的破壞模式[1]

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(樹脂)包圍的碳纖維組成，堅固又非常輕巧，比鋼

輕約75%，但卻能表現出同等或更好的性能，而且

這種材料還具有耐腐蝕性。[2]

在安全性方面，CFRP有著出眾的能量吸收能

力，因此非常耐碰撞，是車身製造中，在不影響安

全性的前提下，所可使用的最輕質的材料。它能具

備如此高強度的關鍵，就在於碳纖維特殊的抗撕

裂性能，沿著纖維的方向上具有巨大的韌性，此一

特殊性能意味著它可以調整到符合其負荷的最佳形

態。

一如自然界中動物骨骼或植物莖絡只在需要的

地方形成較厚的結構，同樣的，車身設計者只要掌

握重點防護區域，調整纖維的方向和用量，就能實

現完整的安全保護。使得碳纖維組件能夠保持非常

輕量，卻還可精準符合使用需求。簡單來說，與車

用鋼板最大的不同除了重量之外，這種特殊材料還

可以在某一個方向表現出與鋼板一樣的強度，但在

另一方面，卻又有很好的可彎曲性。

三、複合材料CAE設計分析技術

將複合材料的設計導入車輛工程，對於減重有

明顯的成效，連帶其相較於金屬材料的設計手法，

也大為不同。複合材料的設計，會隨著結構體本身

受力情況，而改變疊層角度、疊層厚度，甚至要利

用幾何特徵將其力量傳導到複合材料較強的地方。

考量其製程與破壞模式，在設計之初，即要如何預

估哪種破壞模式會先行發生？再者，由於複合材料

的破壞往往都是屬於瞬間的行為，並非像金屬材料

一樣，擁有一段塑性變形，才完全斷裂；因此複材

不易由實驗去判斷何種破壞模式先發生，且很容易

會產生誤判，故而在設計上，非常需要導入電腦輔

助工程分析(CAE，Computer -Aided Engineering)，

藉由模擬真實的使用情況，先行了解結構體可能發

生破壞的區域以及破壞後的行為，進而改良其設

計。

接下來，將以汽車座椅輕量化設計為例，介

紹在將材料改成碳纖維複合材料時，所需的設計考

量，以及在搭配CAE技術後，可如何在產品設計開

發之際提供最有效率的輔助。

(一) 案例說明-汽車座椅

汽車座椅主要用於支撐乘員的重量、緩和與衰

減由車身傳來的衝擊和震動，提供駕駛良好的工作

條件，且撞擊時能夠保護乘員安全[3]。而且，座

椅設計的好壞，對汽車行進間的平順性、乘坐舒適

性、安全性等，有很大的影響，因此掌握汽車座椅

的特性和設計方法，是重要環節之一。

一般而言，座椅的設計需求包括：

1. 靜態特性

座椅的尺寸與形狀應配合使人體具有合適

的坐姿，良好的體壓分佈，觸感良好，能調節

尺寸和位置，使乘員乘坐穩定、舒適、操作方

便、視野良好。

2. 動態特性

能夠緩和與衰減由車身傳來的衝擊與震

動，並使駕駛者能久坐而不容易感到疲勞，且

使乘客在行車時乘坐舒適。

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專 題 報 導

3. 結構強度

有足夠的結構強度、剛性以及壽命，並能

在發生交通事故時儘量減少乘員的受傷程度，

亦即具有足夠的安全性。

為符合上述要求，同時欲當將金屬結構件替換

為複合材料時，其設計所需考量的重點很多，本案

例僅暫以結構強度為主，參考FMVSS-207座椅安全

性法規座椅總成靜態測試作為模擬的基礎。

座椅總成靜態測試

FMVSS-207中規定：在座椅總成質心處水平向

前、水平向後，施加20倍座椅總成質量的載荷，座

椅及座椅固定點須能承受以上載荷；座椅不得與車

體分離；對於可調式座椅，調節裝置在試驗中應能

使座椅保持原調節位置，在試驗後允許失去調節功

能，如圖3所示。

另外，對於前座座椅，當汽車安全帶安裝固定

點設在座椅上時，施加上述向前載荷的同時，還必

須同時考慮對安全帶安裝固定點施加對應的載荷。

模擬方法

複合材料結構件的邊界與施載都與金屬設定

無異，主要差異在於材料的方向設定，以及破壞判

準，目前複材的模擬手法，大都以Shell model進行

Layup的設定模擬，此種模擬手法是以曲面法向量

決定其1、2方向，因此可以避免繁複的材料方向設

定，如圖4。

疊層設計

碳纖維鋪放的方向，可以利用主應力方向圖判

斷力量傳遞的方向，並且注意纖維疊層應儘量保持

對稱性，以避免在成形後有可能產生翹曲的現象。

由圖5 CAE分析之座椅側板主應力結果可明顯

看出，結構件承受載荷之力量傳遞方向，由此即可

判斷，此結構件較需鋪放的方向角為45度角以及0

度角，另疊層設計的原則為越主要受力的方向放

置於外層，因此將座椅側板之初始疊層設計為[45/-

45/0/90]s。

▲ 圖3、座椅總成靜態測試示意圖[4]

▲ 圖4、Shell & Solid model材料方向設定比較

▲ 圖5、座椅側板之主應力方向圖

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接著將初始疊層設計代入模型中，藉由CAE模

擬分析出TSAI-Hill圖 (判斷材料是否破壞之數值分

佈圖，≧材料破壞，＜材料未破壞)，從而推估複

材是否產生破壞？若強度不足，則可再據以進行局

部補強設計。而如由圖6所示，此座椅側板設計件

與俯仰器的連接處，有產生破壞之虞。此時CAE工

程師再透過局部放大之座椅側板主應力圖判斷出補

強所需角度方向為60度，如圖7。

最後，將此區域疊層設計調整為[-30/60/45/

-45/0/90]s，其補強後之模擬結果便已可滿足TASI-

Hill值小於1之需求。如圖8所示。而此將座椅總成的

結構件更換成複材疊層之案例，即在一連串CAE分

析過程的輔助下，快速地達成所預期的設計結果。

同時，由上述以複合材料取代原有之鋼材之設

計結果顯示，本模擬設計物件的重量由原本12.1 kg

大幅降至3.1 kg，降幅超過70% 。雖然本案例條件

只考慮FMVSS 207靜態測試規範，但也由此可知，

其所達到的減重效果十分顯著。

四、結 論

複合材料應用於結構件產品，並非只是單純

的將原有的材料，替換成碳纖維複合材料而已，事

實上，這種材料對於所構成的結構形式，受力方向

等相當的敏感，自然也提高了設計條件的複雜度；

因此，若僅以傳統的設計方式進行開發設計，實難

滿足設計需求；但若藉由電腦輔助工程(CAE)的模

擬，估算結構的剛性、強度，則可以快速的了解結

構件在哪些方向的受力較為嚴苛，利用複合材料的

特性，將材料設計於較為嚴苛的受力方向，以減少

不必要的材料，藉此達到輕量化之目的，對於加速

產品開發而言，更無疑是如虎添翼，可達成事半功

▲ 圖6、座椅側板之TSAI-Hill圖

▲ 圖8、補強後TSAI-Hill圖

▲ 圖7、主應力方向圖 (局部放大)

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專 題 報 導

倍的效果。

雖然，就現階段而言複合材料的成本相較於金

屬材料還是偏高，產量也尚未達到車廠的標準，但

相信隨著製程的演進以及車輛產業的需求量大增，

這些問題，將逐漸的被克服。因此，展望未來進入

油電混合車、電動車的時代趨勢，碳纖維技術將不

再僅是一個小範圍應用的材料，而可望在大部分的

車輛上都可以看到複合材料的蹤跡，成為重要的車

輛輕量化技術項目之一，也為車輛的進化帶來革命

性的影響。

　　

五、參考文獻

[1] 廖培凱,”複合材料的複合效應”,崑山科技大

學,2009.

[2] http://big5.cnfol.com/big5/auto.cnfol.

com/120417/169,1684,12189601,00.shtml

[3] David, C. V. Role of the seat in rear crash safety,

2002 (Society of Autom otive Engineers).

[4] 孫丹丹,”座椅被動安全性仿真分析與結構參

數化設計”,吉林大學車輛工程研究所碩士論

文,2003.