图1 USCAR车身底盘小组的主要成员（从左至右）：Multimatic工程服务公司的Hannes Fuchs，ACC项目负责人、通用汽车研发部门的Libby Berger，通用汽车公司高级机构的Bhavesh Shah和USCAR 的Charles Knakal，与一个全复合材料车身底盘的原形合影（图片来自SPE ACCE）

由美国汽车研究公司理事会属下的汽车复合材料联盟设计、开发和制造的单件式结构复合材料车身底盘，取代了超过14个钢冲压件和紧固件，同时保持或提高了性能和安全性，减轻了重量，而成本的增加则被控制在可接受的范围内。目前该车身底盘正在接受测试。

多年来，美国汽车研究公司理事会（以下简称“USCAR”，密歇根州Southfield）的汽车复合材料联盟（以下简称“ACC”）的成员们已经为一辆全尺寸、后轮驱动的轿车设计、制造并装配了一个复合材料的车身底盘原形，目前正在对其进行测试。ACC的车身底盘小组包括Multimatic工程公司（加拿大安大略省Markham和美国密歇根州利沃尼亚市），该公司承担了工程和后来的装配构建及测试任务，此外还有Continental结构塑料公司（美国密歇根州特洛伊），它负责配混材料。

作为ACC较大的Focal项目4（简称“FP4”）中的一部分，Multimatic工程公司和Continental结构塑料公司的任务是开发结构汽车复合材料，而车身底盘小组的首要任务是开发分析和制造方法以及一系列数据，以便使任何ACC的成员公司都能在大批量生产的车辆中应用轻量化的且具有成本效益的结构复合材料（例如车身底盘）。

他们的期望很高，要求该部件要具有结构功能，能承载碰撞负荷，性能等同于或优于一般钢制的北美汽车底盘。该小组将完成这一壮举，并以可接受的成本来降低整体重量，同时满足所有的政府/行业要求。

该车身底盘分3个阶段完成。第一阶段，对材料和工艺进行评估，并完成初步的设计工作。在第二阶段中，小组对设计做了进一步的完善，进行了广泛的分析，检验了将部件连接到钢制白车身上的方法，制造了模具，并验证了材料、工艺和分析方法/假设条件。第三阶段，成型车身底盘，用代表白车身匹配结构的钢框架进行装配，并开始测试。

第一阶段：合并、整合及分析

该小组对模压成型片状模塑料（SMC）、长纤维热塑性塑料（LFT）和长纤维注射（LFI）聚氨酯加上一些材料类型进行了对比。根据方案的要求和技术成本模型，他们决定使用一种带有低密度SMC芯材的多层玻纤织物/乙烯基酯SMC，并选择性地使用短切纤维SMC来填补位于输送通道周围的薄肋。织物/SMC的模压成型类似于传统的短切玻纤/SMC，只是铺层图接近100％的覆盖，因为这种织物预浸料不能以短切玻纤/SMC流动的方式流动。

图2 USCAR的单件式结构复合材料车身底盘（下图）取代了超过14个钢冲压件和紧固件（上图），同时保持或提高了性能和安全性，减轻了重量，而成本的增加则被控制在可接受的范围内（图片来自USCAR）

同时，Multimatic公司开发了一种初步设计方案，其中一个单独成型的复合材料部件跨越了车辆的隔热板和后座之间的距离——从门槛到门槛，并带有一个高33cm的中央传送通道——它取代了14个钢构件和其他4个部件中的几个，也取消了紧固件。初始的CAE分析表明，最严格的撞车方案是欧洲NCAP/IIHS 40mph/64kmh的正面偏置变形壁障（ODB），其次是欧洲NCAP 35mph/56kmh的全正面撞击载荷情况。因为ODB载荷情况是最严重的，因此选中了“45/0/-45/90/-45/0/45”的铺层设计，它带有45°偏差。由于该部件是车辆结构的一个完整的组成部分，因此耐久性和冲击负荷的输入比较复杂。为验证设计，进行简单的零部件级测试会比较困难，可能对实际载荷和应力不具代表性。

第二阶段：改进、组合和验证

在第二阶段，当对材料模型和设计进行改进时，重要的是要开发一种技术，以将复合材料车身底盘和白车身的主要钢制乘客车厢连接起来。所选用的方法即焊接连接法涉及了针对外层使用的钢制折叠带、中间的车身底盘边缘以及作为其他外层的该车辆的钢结构。复合材料部件中的孔是在预定位置沿其边缘经激光切割而成（模压成型不能形成一个真正的通孔），折叠带上有若干凹痕，和这些孔对齐。将陶氏汽车系统公司的双组分环氧粘接剂涂覆在复合材料上，然后将其定位在两个钢层之间，折叠带上凹痕的突出面穿过复合材料上的孔，使它们和钢制汽车结构接触。然后在每个凹痕的位置上，用点焊把折叠带和钢结构连接起来。随后把该组装件放到烘箱中，以固化粘接剂并固定焊接点。虽然是以粘接剂粘接为主，但是点焊有助于固定部件并减少粘接剂的剥离应力。

由于在北美的汽车装配工艺中，这种复合材料的车身底盘代表着一种彻底的变革，所以该小组为两种零部件的制造和整车装配开发了技术成本模型，它显示出组装成本并没有增加，而生产成本则有合理的上升。他们还建立了一个假设性的工作流程，演示了该组装过程如何能够被纳入到一般的汽车制造工厂中。此外，美国马萨诸塞州洛厄尔大学（位于马萨诸塞州洛厄尔）参与开发了一种织物悬垂性模型，来模拟织物/SMC材料的模压成型。该模型帮助研究小组避免了半径和其他结构特性对织物预成型物的贴服性能带来的影响或在成型过程中可能导致的原丝拉伸破坏。该小组还寻找了一种强大的无损评价方法，它可以确保复合材料车身底盘结构在正常使用中以及在低能量/低速撞击事件后的完整性，且其成本效益和简单性足以允许碰撞后维修车间的使用。振动红外热像法（使用超声波能量来激发样本，加上用红外摄像机观察可以显示分层的摩擦热）在研究环境中被认为是一种极佳的方法，但该小组仍然评估了紫外线染料渗透剂和其他方法。

第三阶段：预成型物、模具和匹配

在第三阶段中，该小组开发了预成型物坯料和一个成型的装配架，制造了该部件，然后将它安装在钢架中。目前，他们仍在测试车身底盘，以对分析结果和试验结果进行比较。当CAD模型被发送给Century Tool & Gage公司（密歇根州芬顿）来制造模具时，该设计的质量预测比基础的钢设计低26％，即有11kg的减重。到目前为止，由于材料和工艺的原形性质，成型的零部件比预测的稍厚、稍重。这种复杂的部件采用了多达13层的织物SMC，加上几层短切SMC。在150℃和2300t的压力下，固化时间需要3min.。