基于OptiStruct碳纖維復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究.pdf

1、輕量化是未來汽車發(fā)展的主要方向，碳纖維復(fù)合材料是最具潛力的輕量化材料。近幾年來，復(fù)合材料越來越多的被應(yīng)用在汽車零部件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中。復(fù)合材料在汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用已經(jīng)形成了由覆蓋件到承力構(gòu)件、薄壁結(jié)構(gòu)件到實(shí)體構(gòu)件的發(fā)展趨勢(shì)。而基于鋪層的長(zhǎng)纖維復(fù)合材料目前還主要應(yīng)用在薄壁結(jié)構(gòu)件的設(shè)計(jì)中。本文主要采用這種基于鋪層的長(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料，針對(duì)汽車上的殼體構(gòu)件以及薄壁形式的承載構(gòu)件進(jìn)行復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)研究?；阡亴拥拈L(zhǎng)碳纖維復(fù)合材料的殼

2、體結(jié)構(gòu)件和承載結(jié)構(gòu)件在輕量化設(shè)計(jì)中要解決的主要問題為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的幾何形狀設(shè)計(jì)、復(fù)合材料的最佳鋪層角度設(shè)計(jì)、鋪層厚度設(shè)計(jì)以及鋪層順序設(shè)計(jì)問題。為了解決上述問題，本文以復(fù)合材料層合板力學(xué)結(jié)合有限元數(shù)值分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)作為研究的理論基礎(chǔ)，以商業(yè)應(yīng)用軟件OptiStruct作為研究工具，以承受典型均布載荷的薄壁包裝箱和多工況集中載荷的汽車懸架擺臂作為碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究的對(duì)象，針對(duì)上述問題提出了多階段的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。碳纖維復(fù)合材料特種

3、包裝箱的多階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包括形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層優(yōu)化。結(jié)合包裝箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo)要求，在箱體的概念設(shè)計(jì)階段，通過形貌優(yōu)化獲得了滿足箱體剛度的加筋結(jié)構(gòu)；針對(duì)基于鋪層的碳纖維復(fù)合材料的可設(shè)計(jì)性能，在箱體的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)階段，通過尺寸優(yōu)化和鋪層優(yōu)化分別獲得了復(fù)合材料各個(gè)鋪層角度的最佳鋪層厚度尺寸和復(fù)合材料箱體的最佳鋪層方式。最終，通過有限元數(shù)值分析驗(yàn)算，箱體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求；碳纖維復(fù)合材料汽車懸架擺臂的多階段優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包

4、括拓?fù)鋬?yōu)化、鋪層角度優(yōu)化和鋪層厚度優(yōu)化。碳纖維復(fù)合材料汽車懸架擺臂結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)在拓?fù)鋬?yōu)化后獲得的懸架擺臂結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，研究了該結(jié)構(gòu)最優(yōu)的鋪層角度參數(shù)和最佳的鋪層厚度參數(shù)。通過研究表明，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能夠獲得可用的復(fù)合材料幾何結(jié)構(gòu)；復(fù)合材料的鋪層角度一般選擇0°、土45°和90°；復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在總的鋪層厚度一定的情況下，隨著單層的鋪層厚度值的減小，結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)增大；一般在采用對(duì)稱鋪層的鋪層順序下，結(jié)構(gòu)的剛度最大；與原始結(jié)構(gòu)相比，采用碳纖維