纤维增强型复合材料保险杠轻量化设计与优化

摘要

随着汽车环境污染和资源问题日益严重，汽车轻量化逐渐成为一个越来越热门的研究领域。轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径之一，其中纤维增强型复合材料作为新兴的轻量化材料，由于其良好的力学性能和巨大的轻量化潜力受到了广泛的青睐。本文基于我国GB17354-1998汽车前、后端保护装置标准，将长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(LGFT)和连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)两种复合材料应用到汽车保险杠防撞梁上进行了如下研究:
　　首先，开展了LGFT和CFRP材料试件的制备及相关力学性能测试。按照国标进行了拉伸和三点弯试验，得到了材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变等参数，并基于试验与反求分析获取有限元仿真分析相关参数。
　　其次，以某车型铝制保险杠防撞梁为原型，采用LGFT及CFRP复合材料进行刚度等代设计，并按照法规要求建立了防撞梁低速碰撞模型。根据仿真结果综合分析了复合材料保险杠防撞梁在两种工况下相对于铝制防撞梁的耐撞性和轻量化性能，同时对比了三种材料的轻量化成本。结果表明:在满足耐撞性能要求下，LGFT与CFRP防撞梁轻量化效果明显，相对于原铝制保险杠防撞梁分别减轻11.2％和46.1％;材料成本方面LGFT成本有所降低，CFRP成本显著增加。
　　再次，分析了CFRP复合材料层合板的吸能特性，采用遗传算法对CFRP保险杠防撞梁进行铺层角度优化，以最小碰撞峰值力为目标，以碰撞器侵入量为约束建立了铺层角度优化模型，优化后的保险杠防撞梁的最佳铺层为[0/-45/90/45/45/90/-45/0]。对铺层角度优化前后的保险杠防撞梁的有限元仿真结果进行了对比，铺层角度优化后的CFRP保险杠防撞梁的峰值力明显降低。
　　最后，根据防撞梁在两种工况下的变形和受力特点并利用LGFT材料便利的制造工艺性，采用了一种连续变截面厚度设计方法。将防撞梁厚度值作为设计变量，通过采集试验点构建关于碰撞峰值力、防撞梁质量的响应面模型，并利用自动优化专家算法对代理模型进行优化求解。结果表明:优化所得结果参数响应值与模型仿真值的误差在10％以内。变厚度设计能够使防撞梁结构的质量分布更为合理，优化后的连续变截面厚度防撞梁能更好的兼顾轻量化与耐撞性能。
　　本文所做的研究，对于汽车防撞梁轻量化效果和低速碰撞性能的提升具有明显作用，同时对纤维增强型复合材料在汽车上的应用具有一定的借鉴意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景和意义

1．2 汽车轻量化实施途径

1．3 国内外相关研究现状

1．3．1 国内外复合材料汽车保险杠研究现状

1．3．2 国内外汽车保险杠低速碰撞研究现状

1．4 国内外保险杠低速碰撞法规

1．5 本文主要研究内容

第2章 复合材料力学基础及有限元优化方法

2．1 复合材料强度准则

2．1．1 最大应力与最大应变准则

2．1．2 Hashin失效准则

2．1．3 Chang-Chang失效准则

2．2 有限元方法简介

2．3 优化算法理论简介

2．3．1 遗传算法

2．3．2 自动优化专家算法简介

2．3．3 响应面模型简介

2．4 本章小结

第3章 复合材料力学性能试验及参数仿真

3．1 复合材料试验标准

3．2 LGFT材料性能试验

3．2．1 拉伸试验

3．2．2 拉伸试验仿真对标

3．3 CFRP材料基本力学性能试验

3．3．1 拉伸试验

3．3．2 弯曲试验

3．3．3 试验仿真对标

3．4 本章小结

第4章 复合材料保险杠设计对比分析

4．1 保险杠防撞梁复合材料替换

4．2 保险杠防撞梁刚度等代设计

4．3 汽车保险杠有限元模型的建立

4．3．1 单元大小及类型选择

4．3．2 连接方式

4．3．3 接触方式

4．3．4 铺层有限元建模

4．4 复合材料保险杠低速碰撞仿真分析

4．4．1 低速碰撞有限元模型的建立

4．4．2 碰撞仿真结果对比分析

4．5 保险杠防撞梁材料成本对比

4．6 本章小结

第5章 CFRP复合材料保险杠铺层优化设计

5．1 复合材料铺层设计

5．1．1 复合材料吸能影响因素

5．1．2 复合材料铺层设计一般原则

5．2 遗传算法优化基本流程及参数设计

5．3 遗传算子的分析与设计

5．4 CFRP保险杠铺层角度优化设计

5．5 本章小结

第6章 LGFT复合材料保险杠优化设计

6．1 变厚度保险杠防撞梁设计研究

6．1．1 截面厚度对防撞梁性能的影响

6．1．2 变厚度防撞梁设计的提出

6．1．3 变厚度防撞梁设计方案

6．2 变厚度有限元单元模拟

6．3 变厚度防撞梁参数化建模

6．4 变厚度防撞梁厚度参数优化

6．4．1 多目标优化定义和数学模型的构建

6．4．2 拉丁超立方试验设计

6．4．3 变厚度参数优化设计

6．4．4 优化结果验证及分析

6．5 变厚度防撞梁轻量化效果

6．6 本章小结

总结和展望

参考文献

致谢