車輛研究測試中心 技術服務處 工程分析中心 林俊志

由於人類對於石化能源的依賴，石化能源的消耗使得油價逐漸飆漲，國際各大車廠無不卯足全力進行新能源車輛的開發，由低油耗車輛、油電混合車，到目前最熱門的鋰電池電動車的出現，都顯示了人類在交通工具上對於能源替代及降低能耗的迫切需求，在低耗能的設計概念下，車輛的輕量化已是必然的重要趨勢。

車輛減重設計是降低車輛能源消耗的必要手段之一，除了以各種優化方法在車輛與零組件的構形與尺寸上設法減重外，車輛與零組件的設計也積極的往鋼材以外的材料如鋁合金、鋁鎂合金、複合材料…等其他輕質材料的運用發展，其中「碳纖維樹脂複合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics-CFRP)」即常被採用。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它擁有高比剛性(剛性/比重)、高比強度(強度/比重)、耐腐蝕性、耐高溫等…，因此CFRP將有可能漸漸取代鋼材成為車輛零組件材料輕量化的主流。目前已有許多車輛相關的零組件如引擎蓋、座椅、傳動軸、保險桿等…，已被一些車廠由原來的鋼材改為CFRP碳纖維複合材料，以達到輕量化的目標。

圖1.複合材料應用於車輛零組件

CFRP是以樹脂(Epoxy)膠合好幾層不同方向的碳纖維疊層(Layup)，屬於非等向性材料(如圖2)，意即材料在不同的方向有不同的特性。因此，應用複合材料於車輛零組件的設計時，必須先暸解產品在使用情況下的受力方向，再針對受力方向設計複材疊層的數量與鋪放方向。如何準確的定義複合材料的方向與特性，乃是複材模擬的關鍵之一，目前複材結構的模擬手法，大都以殼元素網格模型(Shell model)進行疊層的設定模擬(如圖3)，此種模擬手法是先訂出疊層曲面的法向量，再決定其1、2方向，以簡化繁複的材料方向設定。

圖2.複材疊層示意圖	圖3. Shell model材料方向設定

 除了材料在方向上的設定外，材料受力後的破壞模式是屬於膠合處剝離或是纖維斷裂，以及各破壞模式的判斷準則皆較一般鋼材複雜，但透過電腦模擬分析軟體的計算，仍可得到所需要的答案。圖4為膠合剝離破壞模式的模擬結果，由該圖可以很容易的觀察疊層受力後，膠合處的剝離過程與應力變化。圖5為模擬複材疊層受撞擊的情形，圖6~圖9為各層受力的應力變化歷程。另外，在模擬分析軟體的介面中，亦可以TASI-Hill、TASI-Wu等不同的破壞判斷準則，直接判斷複材各疊層是否破壞。

圖4.膠合剝離破壞模擬	圖5.複材疊層模擬
圖6. Lay-1(纖維角度90度)	圖7. Lay-2(纖維角度45度)
圖8. Lay-3(纖維角度-45度)	圖9. Lay-4(纖維角度0度)

在這股新能源車輛的潮流中，車輛與零組件的輕量化已是勢在必行，CFRP複合材料也是必要考慮的選項之一。業者在開發這類新型產品時，若能藉助前述的電腦輔助工程分析方法來輔助產品設計，即可在設計階段即時的掌握產品設計的優劣，也可依據分析結果找出設計的改進方向，進而縮短開發時程與降低開發成本，使設計開發之品質與效率大幅提升。

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