复合材料削层B柱结构、工艺和材料优化设计

摘要

随着政策法规和消费市场对汽车能耗和汽车安全性能的日益重视，如何在已有的汽车结构材料体系下实现轻质高强的目标，已经成为汽车行业的研究热点。而复合材料不仅具有优异的材料性能，并且其独特的层合板成型工艺可以通过削减铺层的方式构成复合材料削层结构，从而实现结构的刚度剪裁，能够在满足结构力学性能要求下实现最大程度的轻量化。本文提出将能实现变刚度的复合材料削层结构应用于汽车B柱结构中，并针对复合材料削层结构在B柱应用中需要解决的削层结构力学性能、削层工艺参数、B结构力学要求和铺层优化设计等问题进行了研究，具体的研究内容和成果包括：
　　（1）本文从复合材料层合板应力应变关系出发，从理论上阐述了复合材料削层结构力学分析方法。同时，本文建立了削层结构的有限元三维模型，对削层结构进行了力学性能分析，得到了整体的层间应力分布情况，并对削层区域存在的层间应力集中产生原因和机理进行了分析；
　　（2）针对削层结构应力集中可能导致层合板提前失效的问题，对减少削层结构的工艺手段进行了参数化的研究。研究的削层工艺参数主要包括：表面覆盖层、削层角度、各削层的错开距离。根据对削层工艺的参数化研究得到了削层结构设计的指导原则；
　　（3）本文对某车型的侧面碰撞和顶压两种工况进行了分析，得到了该车型在两种工况下的安全性能，根据两种工况下对B柱结构不同部位的力学性能要求得到B柱结构的变刚度要求，并结合本文得到的工艺参数指导原则对复合材料削层B柱结构进行了削层分区设计；
　　（4）考虑B柱结构在顶压和侧碰工况下的耐撞性和轻量化要求，利用径向基神经网络代理模型结合多岛遗传算法对B柱削层结构的厚区和薄区铺层层数进行了优化设计，并通过12种典型铺层对铺层角度和顺序进行了设计和讨论。最终，在满足工艺要求的基础上实现了61.4％轻量化，并且在顶压工况下的车顶最大承载力提高了20.2%，侧碰工况中的B柱侵入量和B柱侵入速度分别降低了9.4%和7.4%。
　　通过引入复合材料削层结构，提升了汽车B柱结构在两种工况下的耐撞性，并实现了轻量化。该研究工作为复合材料在汽车结构中的应用提供了一种研究思路和方法，为汽车轻量化提供了一种潜力极大的结合结构、工艺和材料的轻量化手段，具有较强的工程应用价值。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1课题研究背景和意义

1.2碳纤维复合材料在汽车中应用现状与发展

1.3复合材料削层结构研究现状与发展

1.4本文主要研究内容

第 2 章 削层结构力学基础及层间应力分析

2.1概述

2.2削层结构力学基础

2.3 削层结构层间应力分析

第 3 章 复合材料削层结构工艺参数设计

3.1概述

3.2覆盖层设计

3.3削层角度设计

3.4削减层错开距离设计

3.5本章小结

第 4 章 侧碰及顶压工况下的B柱削层结构分区设计

4.1概述

4.2侧面碰撞工况分析

4.3顶压工况分析

4.4复合材料B柱削层结构分区设计

4.5本章小结

第 5 章 复合材料B柱削层结构优化设计

5.1概述

5.2 B柱削层结构铺层层数优化设计

5.3 B柱削层结构铺层角度及顺序重设计

5.4本章小结

总结与展望

参考文献

致谢

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