車輛中心 技術服務處 許新村

近年來，隨著油價高漲與環保意識的抬頭，車輛的輕量化已經成為必然的趨勢，各大車廠無不用盡各種方法要降低車身的重量，尤其是對於競技用車輛而言，車身的重量除了影響整車之油耗表現外，更是影響著車輛的加速性能，成為左右比賽勝負的關鍵因素之一。為了降低車身的重量，具有高比強度(強度/比重)特性的複合材料已經在競技車輛上應用多年，目前世界上絕大多數的賽車座椅即以複合材料(Composite material)製作而成（如圖1）。

圖1 CFRP製的賽車座椅

圖片來源：RECARO

複合材料是一種以基材(Matrix)與補強材(Reinforcement)組合而成的材料（如圖2），顧名思義就是可以順應不同的使用狀況做適當的組合設計以產生最佳的強度效果，最典型的組合即以樹酯為基材加上碳纖維疊層作為補強材之「碳纖維樹脂複合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastics, CFRP)」，碳纖維是一種力學性能優異的材料，比重不到鋼的1/4，但是與樹酯組合成形加工之後的抗拉強度卻可以高達1,240MPa，是鋁合金的6~7倍，楊氏係數(Young’s modulus)為230~430GPa亦高於鋼，此外尚具有耐腐蝕與耐高溫等特性，因此適合應用於需要同時兼具強度與輕量特性的賽車座椅上。

圖2 複合材料疊層示意圖

賽車座椅的功能除了提供駕駛者一個舒適的乘坐空間之外，更需要在事故發生時可以提供駕駛者安全上的防護，因此國際汽車聯盟FIA)即針對賽車用座椅訂定了相關的試驗規範，包括靜態負載試驗規範(FIA 8862-2009)與動態衝擊試驗規範(FIA 8855-1999)，以確保賽車座椅的安全性，故賽車座椅必須要取得FIA的測試認證才能使用於FIA所舉辦的一級方程式賽車(F1)比賽，甚至連非FIA所舉辦的賽事，對於賽車座椅也很多採用FIA的規範要求，如每年於大鵬灣國際賽車場所舉辦的台灣大賽車(Taiwan Speed Festival, TSF)即規定參賽車輛必需使用通過FIA所認證的賽車座椅；然而，因為大部分的碳纖維材料是由碳纖維束所組成的層狀組織，其強度是具有方向性的，且測試過程是一個複雜的非線性擠壓行為，設計者難以在測試前即掌握賽車座椅的設計重點，因此往往需要在多次試誤後才能通過測試驗證，其勢必將造成時間與成本上的浪費，所幸現今電腦科技發展迅速，電腦輔助工程分析(CAE)已經可以應用於非線性的擠壓行為上，搭配大量叢集電腦(MPP)的使用，在測試前即可以先進行模擬，以輔助設計者進行賽車座椅的結構設計。

圖3為利用CAE分析軟體根據FIA 8855-1999進行後向衝擊分析的動態過程，衝擊過程中賽車座椅必須能夠承受人偶所產生的後向衝擊力而不發生破裂的情形；圖4為衝擊過程中賽車座椅的Tsai-Wu破壞分佈圖，可以用來評估賽車座椅有無產生破壞的可能，從圖中可以明顯的看出賽車座椅在腰靠的位置上其強度是比較不足的，此時即可以透過主應力方向分佈圖(如圖5所示)來了解破裂處的受力方向，因此就可以知道如何調整碳纖維的配向組合或做受力方向的補強，甚至也可以透過CAE分析軟體的最佳化技術，來協助找到較佳的設計參數。

圖3 後向衝擊分析過程

圖4 Tsai-Wu破壞分佈圖	圖5 主應力方向分佈圖

當然，除了前述所提及的後向衝擊分析之外，其他的測試項目也都可以透過電腦輔助工程分析的方法，快速的提供各個評估項目的模擬分析結果供設計者參考，此外也可以結合車輛中心(ARTC)的實驗室設備能量，進行產品的預先測試，讓賽車座椅進行FIA的認證時可以更加地順利，加快業者在產品開發的時程掌握與產品銷售競爭力。
         
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