汽车动力总成GFRP悬置支架的拓扑优化设计和耦合仿真分析

摘要

随着空气污染和能源消耗的日趋严重，提升燃油经济性、使汽车轻量化成为了未来汽车工业发展的趋势，而树脂基玻璃纤维增强型材料GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastic）因为其良好的力学、物理学性能，是理想的汽车用轻量化材料。由于GFRP材料的力学性与其材料内部纤维分布高度相关，使用该型材料进行结构设计十分困难，传统设计方法只能根据经验给出许用强度范围进行设计，不能充分的利用材料的性能，更无法考虑纤维各向异性所带来的应力和变形的不对称性。本课题组针对GFRP材料应用问题进行研究，探索出了一套适用于GFRP材料并考虑了材料纤维取向分布的结构设计技术流程，对于实现GFRP在承力结构上的应用具有积极意义。本文结合华晨金杯智尚S30的动力总成GFRP后悬置复合材料支架开发项目，结合CAE技术，对GFRP材料的结构设计进行了深入研究，主要研究工作如下：
　　1．根据动力总成悬置工作原理，结合通用GMW14116设计规范，计算出了后置钢制悬置支架的28工况载荷。
　　2．为了比较GFRP悬置支架与传统钢制悬置支架的性能，对钢制悬置支架进行了28工况有限元静强度分析，并与供应商测试数据进行了比较，验证了有限元模型的准确性。分析结果表明：传统钢制悬置支架性能有待提升，具有替换材料轻量化设计的意义和必要性。
　　3．基于拓扑优化理论，使用有限元方法，以最大刚度为目标函数，使用变密度材料插值模型，求解出了GFRP悬置支架在28工况下的最优拓扑结构，以最优拓扑结构为指导，完成了GFRP悬置支架的具体结构设计及大致工艺方案，并利用拔模仿真分析方法验证了该设计方案的可制造性。本设计方案相对于传统钢制悬置支架重量减轻了70.48％，且一阶模态不低于450HZ。
　　4．由于注塑工艺参数的选取是直接影响注塑件结构内纤维分布及其性能的重要因素。故此，本文基于熔体流动填充理论，使用有限边界法，对本设计方案的GFRP悬置支架结构进行了模流分析仿真，确定了两种浇口方案；运用纤维取向张量理论，确定了相应方案下的纤维填充取向张量分布。
　　5．基于Shelby夹杂理论和Mean Field均匀化方法，对GFRP悬置支架材料属性进行了分析，预测了其力学本构模型。并采用本课题组提出的材料力学本构模型与模流分析相结合的方法对GFRP悬置支架进行了结构耦合分析，完成了GFRP取向张量在同型异构网格之间的映射。并以此为基础，结合上述两种浇口设计方案，对GFRP悬置支架也进行了耦合结构分析。结果表明：采用纤维填充更均匀对称的双浇口方案的GFRP悬置支架不仅可满足实际使用的强度和模态要求，而且最大应力相比传统钢制悬置支架可下降40.7%，实际力学性也优于单浇口方案，其力学性能对GFRP注塑零部件的实际工程设计具有一定的应用和参考价值。
　　本文从仿真的角度，综合有限元方法、拓扑优化理论、模流分析、耦合仿真，对动力总成悬置支架的设计开发提供了技术支持，提供了一种兼顾材料纤维取向分布用于GFRP部件结构设计与强度校核的新方法。

目录

第一章 绪论

1.1本课题的研究背景和意义

1.2国内外研究现状及分析

1.3GFRP总成悬置支架开发过程中存在的问题

1.4课题来源与研究目标

1.5本章小结

第二章 悬置支架受力分析和设计空间建模

2.1动力总成悬置的工作原理

2.2设计空间的确定及三维建模

2.3悬置支架载荷确定与简化

2.4本章小结

第三章 钢制悬置支架多工况的强度分析

3.1有限元仿真基础理论

3.2钢制悬置支架的有限元仿真

3.3仿真结果分析与验证

3.4本章小结

第四章 GFRP悬置支架的多工况拓扑优化设计

4.1连续体拓扑优化基础理论

4.2连续体结构拓扑优化的材料插值模型的选择

4.3拓扑优化算法选择

4.4GFRP悬置支架拓扑优化建模及求解

4.5可制造化设计

4.6本章小结

第五章 GFRP悬置支架注塑工艺参数设定

5.1填充流动过程理论基础

5.2玻璃纤维方向张量理论基础

5.3模流分析仿真及工艺参数设定

5.4本章小结

第六章 GFRP悬置支架耦合仿真与性能评估

6.1GFRP悬置支架结构分析网格的划分

6.2GFRP悬置支架纤维取向及映射

6.3GRFP力学本构模型的创建

6.4多类别求解文件的建立

6.5GFRP悬置支架耦合仿真及性能评价

6.6本章小结

总结与展望

全文总结

论文创新点

论文不足与展望

参考文献

攻读学位期间发表的论文

声明

致谢