关键词：复合材料;;引擎盖;;优化设计;;轻量化;;纤维混杂
摘 要：汽车轻量化设计对材料的要求越来越高,金属材料很难满足较高的设计性能要求,纤维增强复合材料将是汽车轻量化设计材料中最具潜力的一种材料。复合材料层合板是纤维增强复合材料在汽车零件中应用最多的形式,复合材料层合板的仿真优化技术是加快研发速度,降低设计成本的重要方法。本文以某款汽车引擎盖为研究对象,首先,对汽车引擎盖进行结构分析和建模,确定汽车引擎盖的分析工况,对钢制汽车引擎盖进行仿真分析,为后续的优化设计提供基准参数。然后分别用单一碳纤维、碳纤维/玻璃纤维层间混杂和碳纤维/玻璃纤维夹芯结构,三种方案对汽车引擎盖进行等代设计,通过对比三种设计方案,确定复合材料汽车引擎盖的优化模型。接下来,以经典层合板理论为力学计算基础,用传统优化设计的方法对引擎盖铺层的厚度和角度进行优化。最终,基于OptiStruct软件的复合材料优化技术,应用了多阶段联合优化设计的方法。以汽车引擎盖质量和加权柔度为目标函数,在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。对比复合材料汽车引擎盖在传统优化和多阶段联合优化后的力学性能和轻量化效果。从结果可以看出,使用多阶段联合优化设计方法进行优化设计,在满足引擎盖各种力学性能和制造工艺要求的同时结构的减重比达60%,提高了复合材料的利用率。该方法可用于复合材料层合板结构的静力学设计,对复合材料层合板结构优化设计具有指导作用。
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