CN107264640A - 一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法，选用碳纤维复合材料单层铺层的铺层角度、铺层厚度以及芯材厚度这些参数作为结构优化时的设计变量，建立复合材料发动机罩的尺寸优化的数学模型并进行计算：(1)设计目标：复合材料发动机罩尺寸优化设计的目标函数是使发动机罩的质量最轻；(2)设计变量；(3)设计约束；(4)计算工况；(5)优化分析结果；本发明优化后的复合材料发动机罩与优化前相比，优化后的发动机罩减重约为16％，各项性能参数基本相同，其中一阶频率增长；各静态工况下的最大位移增大，刚度降低，但全部在许可范围之内。
Description
技术领域
本发明涉及车身轻量化设计技术领域，特别是涉及一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法。
背景技术
近年来，环境问题日益严重。气候变暖，能源短缺，垃圾成灾使地球进入了亚健康时代。为了管理亚健康的地球，我们需要建了一套可持续的能源应用系统，用以做好节能减排，保护环境的工作。
经过五十多年的不断研究和发展，复合材料的新材料、新工艺、新技术不断涌现，越来越多的复合材料被广泛地用于汽车制造。这其中碳纤维复合材料因其高强度，低密度等优异性能，在汽车中得到了广泛的应用。无论是车身覆盖件，车门内板，内饰板，车架，传动轴，保险杠等，都可以看到碳纤维的应用。因此，碳纤维复合材料被称为21世纪的汽车材料。
与发达国家相比，我国汽车行业的碳纤维复合材料应用历史较短且发展慢。我国的碳纤维复合材料从基础的研究研究到工艺，装备等没有形成一套完整的，高水平的体系，尚不足以支持碳纤维复合材料在汽车工业中的快速发展。但在改装车市场上，碳纤维复合材料的零部件发展迅速。随着中国汽车工业的逐步成熟，汽车的轻量化设计成为共识，碳纤维复合材料会在中国的汽车工业中迅速崛起。
在众多交通事故中，行人与汽车的碰撞事故占很大的比例，其中行人头部是最易受到重度伤害的部位之一。而汽车的发动机罩则是行人头部与汽车碰撞的主要区域。因此针对发动机罩行人保护性能的研究是汽车行人保护研究中的热点。
鉴于此，本申请提供了一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法，以满足人们对发动机罩行人保护性能的研究。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法，
选用碳纤维复合材料单层铺层的铺层角度、铺层厚度以及芯材厚度这些参数作为结构优化时的设计变量，建立复合材料发动机罩的尺寸优化的数学模型并进行计算：
(1)设计目标：复合材料发动机罩尺寸优化设计的目标函数是使发动机罩的质量最轻，即
M＝f(x)＝f(x1,x2,......xn)→MIN
(2)设计变量：优化问题中设计变量越少，优化计算就越简单，设计变量的选取有两种选择的方法，一是消去某些设计变量；二是采用共同的设计变量；
对复合材料发动机罩进行尺寸优化时，采用以下两种方案：一是以复合材料层合板中各角度的铺层厚度以及芯材的厚度为设计变量，因发动机罩的结构为对称结构，故优化问题中独立设计变量有5个；二是以复合材料层合板中铺层厚度和铺层角度组合为设计变量，进行优化设计，其中独立设计变量为9个；复合材料发动机罩的优化问题中，各碳纤维铺层的初始厚度为2mm；芯材的初始厚度为6mm，；各碳纤维铺层的初始角度为0°，45°，90°，-45°；
(3)设计约束：对于优化设计中的设计约束而言，考虑结构的性能约束，即根据设计对象应满足的性能要求而建立的设计约束，对复合材料发动机罩进行优化设计时，性能设计约束主要考虑发动机罩的刚度，振动频率应满足的需求，原则上以原钢制发动机罩的刚度值以及振动频率为参考基准，在优化时性能不低于原发动机罩，具体要求如下：锁闩载荷工况下最大位移是2.2mm，弯曲载荷工况下最大位移是10.2mm，扭转载荷工况下最大位移是1.2mm，砰击载荷工况下最大位移是2.9mm，自由模态分析时基频不低于28.1Hz；
设计约束中，还要考虑边界约束，确定了设计变量的取值范围，复合材料发动机罩的优化问题中，各碳纤维铺层的变化范围为0.4-0.8mm；芯材的变化范围为6-10mm；各碳纤维铺层角的变化范围为0-180°；
(4)计算工况：发动机罩在车辆运行时，受力情况较为复杂，经过简化，确定以下几种分析工况：锁闩载荷工况，弯曲载荷工况，扭转载荷工况，砰击载荷工况以及自由模态分析；
(5)优化分析结果：对复合材料发动机罩进行尺寸优化，经过多步迭代，得到各参数的最优结果以及相应的优化后发动机罩的位移、应力结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，优化后的复合材料发动机罩与优化前相比，优化后的发动机罩减重约为16％，各项性能参数基本相同，其中一阶频率增长；各静态工况下的最大位移增大，刚度降低，但全部在许可范围之内。
优化后的复合材料发动机罩与原钢制发动机罩相比，优化后的发动机罩减重约为44％，减重效果明显。各项性能参数中，一阶频率大幅增加；扭转工况下的最大位移相同，其他工况下的最大位移大幅降低，总体刚度增加。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，其既可以指代某一部件与另一部件直接连接，也可以指代某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
本发明提供了一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法，
选用碳纤维复合材料单层铺层的铺层角度、铺层厚度以及芯材厚度这些参数作为结构优化时的设计变量，建立复合材料发动机罩的尺寸优化的数学模型并进行计算：
(1)设计目标：复合材料发动机罩尺寸优化设计的目标函数是使发动机罩的质量最轻，即
M＝f(x)＝f(x1,x2,......xn)→MIN
(2)设计变量：优化问题中设计变量越少，优化计算就越简单，设计变量的选取有两种选择的方法，一是消去某些设计变量；二是采用共同的设计变量；
对复合材料发动机罩进行尺寸优化时，采用以下两种方案：一是以复合材料层合板中各角度的铺层厚度以及芯材的厚度为设计变量，因发动机罩的结构为对称结构，故优化问题中独立设计变量有5个；二是以复合材料层合板中铺层厚度和铺层角度组合为设计变量，进行优化设计，其中独立设计变量为9个；复合材料发动机罩的优化问题中，各碳纤维铺层的初始厚度为2mm；芯材的初始厚度为6mm，；各碳纤维铺层的初始角度为0°，45°，90°，-45°；
(3)设计约束：对于优化设计中的设计约束而言，考虑结构的性能约束，即根据设计对象应满足的性能要求而建立的设计约束，对复合材料发动机罩进行优化设计时，性能设计约束主要考虑发动机罩的刚度，振动频率应满足的需求，原则上以原钢制发动机罩的刚度值以及振动频率为参考基准，在优化时性能不低于原发动机罩，具体要求如下：锁闩载荷工况下最大位移是2.2mm，弯曲载荷工况下最大位移是10.2mm，扭转载荷工况下最大位移是1.2mm，砰击载荷工况下最大位移是2.9mm，自由模态分析时基频不低于28.1Hz；
设计约束中，还要考虑边界约束，确定了设计变量的取值范围，复合材料发动机罩的优化问题中，各碳纤维铺层的变化范围为0.4-0.8mm；芯材的变化范围为6-10mm；各碳纤维铺层角的变化范围为0-180°；
(4)计算工况：发动机罩在车辆运行时，受力情况较为复杂，经过简化，确定以下几种分析工况：锁闩载荷工况，弯曲载荷工况，扭转载荷工况，砰击载荷工况以及自由模态分析；
(5)优化分析结果：对复合材料发动机罩进行尺寸优化，经过多步迭代，得到各参数的最优结果以及相应的优化后发动机罩的位移、应力结果。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，优化后的复合材料发动机罩与优化前相比，优化后的发动机罩减重约为16％，各项性能参数基本相同，其中一阶频率增长；各静态工况下的最大位移增大，刚度降低，但全部在许可范围之内。
优化后的复合材料发动机罩与原钢制发动机罩相比，优化后的发动机罩减重约为44％，减重效果明显。各项性能参数中，一阶频率大幅增加；扭转工况下的最大位移相同，其他工况下的最大位移大幅降低，总体刚度增加。
需要说明的，选用碳纤维作为复合材料的增强纤维，牌号为T300；选用环氧树脂为复合材料的基体材料，牌号为树脂5208。选用PVC泡沫为夹层板中的芯材。复合材料发动机罩为一体式发动机罩，即取消内板结构，采用夹层板设计，其上下面板采用碳纤维增强复合材料(CFRP)，中间夹层使用PVC泡沫。泡沫夹层可有效提高夹层板的刚度，相当于传统发动机罩的内板；夹层板的外表面则需与整车造型保持一致，即保持发动机罩原先的形状。发动机罩的铰链和锁闩等均通过胶接与发动机罩相连。
发动机罩采用对称铺层结构。中间层为PVC泡沫夹层，上面板的铺层方案为[-45/90/45/0],下面板与上面板对称。其中0°为主坐标系中Y轴的方向。复合材料发动机罩总重量为12.56kg。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (1)
1.一种碳纤维复合材料发动机罩的结构设计方法，其特征在于，
选用碳纤维复合材料单层铺层的铺层角度、铺层厚度以及芯材厚度这些参数作为结构优化时的设计变量，建立复合材料发动机罩的尺寸优化的数学模型并进行计算：
(1)设计目标：复合材料发动机罩尺寸优化设计的目标函数是使发动机罩的质量最轻，即
M＝f(x)＝f(x1,x2,......xn)→MIN
(2)设计变量：优化问题中设计变量越少，优化计算就越简单，设计变量的选取有两种选择的方法，一是消去某些设计变量；二是采用共同的设计变量；
对复合材料发动机罩进行尺寸优化时，采用以下两种方案：一是以复合材料层合板中各角度的铺层厚度以及芯材的厚度为设计变量，因发动机罩的结构为对称结构，故优化问题中独立设计变量有5个；二是以复合材料层合板中铺层厚度和铺层角度组合为设计变量，进行优化设计，其中独立设计变量为9个；复合材料发动机罩的优化问题中，各碳纤维铺层的初始厚度为2mm；芯材的初始厚度为6mm，；各碳纤维铺层的初始角度为0°，45°，90°，-45°；
(3)设计约束：对于优化设计中的设计约束而言，考虑结构的性能约束，即根据设计对象应满足的性能要求而建立的设计约束，对复合材料发动机罩进行优化设计时，性能设计约束主要考虑发动机罩的刚度，振动频率应满足的需求，原则上以原钢制发动机罩的刚度值以及振动频率为参考基准，在优化时性能不低于原发动机罩，具体要求如下：锁闩载荷工况下最大位移是2.2mm，弯曲载荷工况下最大位移是10.2mm，扭转载荷工况下最大位移是1.2mm，砰击载荷工况下最大位移是2.9mm，自由模态分析时基频不低于28.1Hz；
设计约束中，还要考虑边界约束，确定了设计变量的取值范围，复合材料发动机罩的优化问题中，各碳纤维铺层的变化范围为0.4-0.8mm；芯材的变化范围为6-10mm；各碳纤维铺层角的变化范围为0-180°；
(4)计算工况：发动机罩在车辆运行时，受力情况较为复杂，经过简化，确定以下几种分析工况：锁闩载荷工况，弯曲载荷工况，扭转载荷工况，砰击载荷工况以及自由模态分析；
(5)优化分析结果：对复合材料发动机罩进行尺寸优化，经过多步迭代，得到各参数的最优结果以及相应的优化后发动机罩的位移、应力结果。
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