碳纖維單體殼，這個名詞在超級跑車領(lǐng)域還真就是一個屢見不鮮的名詞，碳纖維單體殼車身和高端大氣上檔次的限量版超級跑車搭配起來可是相得益彰。而隨著新一代寶馬7系的亮相，碳纖維復(fù)合材料的車身也從超級跑車領(lǐng)域開始逐漸向普通轎車領(lǐng)域拓展。那么，碳纖維單體殼到底為何物，碳纖維車身又為何物。接下來咱們就通過HRT車隊的碳纖維單體殼車身來好好聊一聊這個技術(shù)。
HRT車隊是什么？
HRT車隊全稱HIT Racing Team，是代表哈爾濱工業(yè)大學(xué)參加大學(xué)生方程式汽車大賽的車隊。而大學(xué)生方程式汽車大賽簡稱FSAE，是由國際汽車工程師協(xié)會組織的大學(xué)生工程設(shè)計比賽。在大學(xué)生方程式汽車大賽的架構(gòu)里，全球各高校的賽車隊都會按照賽事規(guī)則和賽車制造標(biāo)準(zhǔn)在一年的時間內(nèi)完成設(shè)計、制造一輛方程式賽車，并且由學(xué)生駕駛進行比賽。而哈爾濱工業(yè)大學(xué)的HRT車隊自2009年參加第一屆FSAE以來，就一直征戰(zhàn)FSAE賽場并榮獲多項第一，并且還曾代表中國出戰(zhàn)FSAE的國際賽事。
時至今日，HRT車隊已經(jīng)設(shè)計和制造了五輛燃油方程式賽車和兩輛電動賽車，在即將到來的新賽季里，HRT車隊又將推出全新的燃油方程式賽車、電動賽車以及一輛Buggy賽車。在接下來的專題里，筆者還會對HRT車隊的幾款賽車進行全面的解讀。而支持HRT車隊的核心技術(shù)，就是碳纖維單體殼的車身技術(shù)。
碳纖維單體殼為何物？
要搞清這個問題需要先來看看什么是單體殼技術(shù)，單體殼其實是一種結(jié)構(gòu)技術(shù)，顧名思義，單體殼結(jié)構(gòu)就是通過殼體表面來進行承載，而非采用內(nèi)部框架結(jié)構(gòu)進行承載。換句話說，單體殼技術(shù)事實上就是蛋殼原理在工業(yè)上的擴展，而蛋殼本身就是一個完美的單體殼結(jié)構(gòu)。單體殼結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域出現(xiàn)的最樸素需求就是單體殼結(jié)構(gòu)具有重量方面的強大優(yōu)勢，由于承載重物的作用力均勻分散到每一個面，而非是空間桁架結(jié)構(gòu)的每一根線，所以單體殼結(jié)構(gòu)還有著空間桁架結(jié)構(gòu)所無法比擬的扭轉(zhuǎn)剛度。
那么再細(xì)化到車身領(lǐng)域，單體殼結(jié)構(gòu)的車身其實就是承載式車身的最終結(jié)構(gòu)形式。除了上述的兩大原因之外，單體殼結(jié)構(gòu)還擁有空間桁架結(jié)構(gòu)所不具備的高安全性優(yōu)勢以及高整合度優(yōu)勢。所以單體殼的承載式車身結(jié)構(gòu)自上世紀(jì)六十年代以來就被廣泛的運用在方程式賽車以及超級跑車領(lǐng)域。安全性方面的優(yōu)勢同樣來源于單體殼車身的面結(jié)構(gòu)，相比于空間桁架車身而言，單體殼車身在緩解沖擊力時是以面進行能量傳導(dǎo)，而再好的空間桁架結(jié)構(gòu)也能是通過線來進行能量傳導(dǎo)。所以，在高速碰撞時，單體殼的車身結(jié)構(gòu)能夠為車內(nèi)成員提供更為全面的安全保障。
至于整合度就更好理解，這個道理就是承載式車身和非承載式車身的區(qū)別，單體殼車身內(nèi)部不需要空間架構(gòu)，也不需要空間架構(gòu)外的包覆件，所以整體感就要更強。同時單體殼車身以面為車身基體，所以作為整車部件安裝的基體就要相比于空間桁架結(jié)構(gòu)要來得更加自如。在同樣的外廓尺寸下，單體殼車身結(jié)構(gòu)能夠帶來最大化的內(nèi)部空間。
而普通車型上所采用的承載式車身之所以不能夠稱之為單體殼車身就是因為普通的承載式車身的主要受力件依舊是框架型的空間結(jié)構(gòu)。單體殼結(jié)構(gòu)到底有多強大呢，舉個例子，HRT車隊的碳纖維單體殼車身長度不到兩米，但是扭轉(zhuǎn)剛度卻能夠達到4000Nm/deg以上，這一數(shù)據(jù)如果按比例作用于家用轎車的承載式車身上，那么測試車很有可能就會被擰成麻花。由于碳纖維單體殼技術(shù)的運用，HRT車隊的賽車在車身重量方面相比于采用空間桁架結(jié)構(gòu)的車身至少要降低10kg。
碳纖維單體殼是單體殼技術(shù)伴隨材料工藝技術(shù)的進步發(fā)展而來的一種全新的結(jié)構(gòu)。相比于金屬單體殼結(jié)構(gòu)，碳纖維單體殼進一步強化了單體殼結(jié)構(gòu)的輕量化屬性和高強度屬性。碳纖維材料是近年來發(fā)展起來的一種高分子復(fù)合材料。一般來說，碳纖維材料一般由以下幾種物質(zhì)構(gòu)成。
第一，碳纖維，碳纖維是一種具有高強度和模量的耐高溫纖維，是化纖產(chǎn)品中的高端產(chǎn)品。其分子結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，同時也具有輕而堅韌的特性，所以以碳纖維制造的復(fù)合材料普遍具有強度高、剛度高、耐高溫、耐腐蝕的特性。根據(jù)碳化條件、制作工藝的不同，碳纖維又被分為了不同的等級，在這里就不多做贅述。
第二，環(huán)氧樹脂。前面說到的碳纖維是最樸素的狀態(tài)，即絲狀。那么要把絲狀的碳纖維編織成碳纖維復(fù)合材料，就需要樹脂材料進行粘合和成型。人工聚合而來的樹脂材料被稱為合成樹脂，根據(jù)性質(zhì)的不同分為熱固型和熱塑型兩種，由于具有較高的成型適應(yīng)性，所以樹脂材料被廣泛的運用于我們的生活中，換句話說，就是塑料。而環(huán)氧樹脂是眾多合成樹脂中物理性能和化學(xué)性能都非常優(yōu)異的產(chǎn)品，同時對于金屬和非金屬都有著較好的粘接強度，且成型穩(wěn)定性較好強度較大，所以被廣泛的運用。在復(fù)合材料的領(lǐng)域里，將碳纖維作為增強體，加入到環(huán)氧樹脂中形成的復(fù)合材料就是我們總在說的碳纖維材料，它的學(xué)名叫碳纖維增強樹脂/聚合物。
當(dāng)環(huán)氧樹脂和碳纖維形成復(fù)合材料之后，由于碳纖維被固化，纖維與纖維之間的聯(lián)系就靠樹脂間的粘接作用進行聯(lián)系，那么同向排布的碳纖維之間就很容易出現(xiàn)撕裂的情況。所以，為了解決這個問題，碳纖維材料中的碳纖維都是以經(jīng)緯相交的方式進行編織，由此形成了交織布的結(jié)構(gòu)。根據(jù)交織布的排布不同，在碳纖維結(jié)構(gòu)里有可以分為平紋、斜紋、緞紋三種形式。
平紋結(jié)構(gòu)為一經(jīng)一緯平行編織，具有對稱特性，所以其擁有最大的穩(wěn)定性和合理的孔隙率。也正是因為平紋結(jié)構(gòu)過于穩(wěn)定，所以平紋結(jié)構(gòu)也是最難彎曲的結(jié)構(gòu)。同時由于碳纖維彎曲較多使得平紋結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料機械性能要低于其他交織布結(jié)構(gòu)。而斜紋結(jié)構(gòu)則是以一經(jīng)紗上下交替穿越更多數(shù)量的維紗，由此形成對角線的效果。相比于前者，斜紋結(jié)構(gòu)擁有更好的彎曲性能，同時表面也要更加光滑且具有更好的機械性能。所以斜紋的結(jié)構(gòu)是目前車用碳纖維結(jié)構(gòu)件的主要編織方式，同樣的，HRT的賽車也運用了斜紋結(jié)構(gòu)的碳纖維復(fù)合材料。
隨著近年來環(huán)保法規(guī)的愈發(fā)嚴(yán)苛，越來越多的汽車企業(yè)也將碳纖維復(fù)合材料的運用列為重點攻關(guān)的項目。而在這一領(lǐng)域，HRT車隊的確是走在了時代的前沿。更值得一提的是，HRT車隊是一支由在校大學(xué)生組成的車隊，碳纖維單體殼車身的設(shè)計、制作都是由學(xué)生們自發(fā)完成。從HRT系列賽車的完成程度以及效果來看，規(guī)格嚴(yán)格，功夫到家的校訓(xùn)還真不是蓋的。在接下來的文章里，筆者將繼續(xù)跟隨HRT車隊的步伐對碳纖維單體殼車身的缺點、設(shè)計原則以及成型工藝進行詳解，敬請關(guān)注。
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