CN107563013A - 三维编织复合材料的车辆配件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种三维编织复合材料的车辆配件及其制作方法。所述三维编织复合材料包括碳纤维和玻璃纤维。所述方法包括：根据预定的细观模型，确定所述三维编织复合材料的刚度与编织工艺之间的关系；根据所述关系建立由所述三维编织复合材料制作的所述车辆配件的力学模型；根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能；根据所确定的目标编织工艺制作所述车辆配件。这样，在满足车辆配件的力学性能的情况下，使车辆配件的质量最小，从而实现了车辆的减重。

Description

三维编织复合材料的车辆配件及其制作方法

技术领域

本公开涉及车用材料领域，具体地，涉及一种三维编织复合材料的车辆配件及其制作方法。

背景技术

车辆的配件视功能以及应用的场合不同，其材料可以包括铁、铸铁、钢、铝、铝镁合金、塑料等。例如，大多数车辆外壳(车门、叶子板、引擎盖、后盖等)是由钢板制造的，部分高档车辆使用的是铝合金材料。

近年来，三维编织复合材料由于其具有很高的比强度，比刚度、抗疲劳和耐腐蚀性能，并且具有完全整体、结构不分层等特性，克服了传统复合材料横向剪切强度低且分层的缺点，已经广泛应用于汽车领域中制造结构型配件，例如，顶盖中横梁。

在设计三维编织复合材料的车辆配件时，通常是工程师凭借以往的经验或多次试验确定出材料的编织工艺。因此，设计比较盲目，有时候并不能较快地找到理想的编织工艺。

发明内容

本公开的目的是提供一种简单实用的三维编织复合材料的车辆配件及其制作方法。

为了实现上述目的，本公开提供一种三维编织复合材料的车辆配件制作方法，所述三维编织复合材料包括碳纤维和玻璃纤维。所述方法包括：根据预定的细观模型，确定所述三维编织复合材料的刚度与编织工艺之间的关系；根据所述关系建立由所述三维编织复合材料制作的所述车辆配件的力学模型；根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能；根据所确定的目标编织工艺制作所述车辆配件。

可选地，所述编织工艺包括所述碳纤维与所述玻璃纤维之间的编织角、全部纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比、所述碳纤维在全部纤维中的体积占比。

可选地，所述关系用以下方程表示：

[C_global]＝V₀[C₀]+V_+α[C_+α]+V_-α[C_-α]+V_matrix[C_matrix]

其中，C_global为所述三维编织复合材料的刚度，C₀为所述碳纤维的刚度，C_+α为编织角为α的玻璃纤维的刚度，C_-α为编织角为-α的玻璃纤维的刚度，C_matrix为所述三维编织复合材料中的基体的刚度，V₀为所述碳纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V_+α为编织角为+α的玻璃纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V_-α为编织角为-α的玻璃纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V_matrix为所述基体在所述三维编织复合材料中的体积占比，[·]表示矩阵。

可选地，所述力学模型包括：模态分析模型、压缩刚度分析模型、扭转刚度分析模型、三点弯刚度分析模型和屈曲分析模型。

可选地，所述根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能的步骤包括：

根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得ρ最小，ρ＝(1—V₁)ρ₁+V₁V₂ρ₂+(V₁—V₁V₂)ρ₃，并且，

Freq1≥Freq1_d

Freq2≥Freq2_d

Freq3≥Freq3_d

Fc≥Fc_d

Ft≥Ft_d

Fbe≥Fbe_d

Fbu≥Fbu_d

其中，ρ为所述车辆配件的密度，ρ₁为所述三维编织复合材料中的基体的密度，ρ₂为所述碳纤维的密度，ρ₃为所述玻璃纤维的密度，V₁为全部纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V₂为所述碳纤维在全部纤维中的体积占比，Freq1、Freq2、Freq3分别为所述车辆配件的第一阶模态频率、第二阶模态频率和第三阶模态频率，Freq1_d、Freq2_d、Freq3_d分别为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的第一阶模态频率、第二阶模态频率和第三阶模态频率，Fc、Ft、Fbe分别为所述车辆配件在给定位移时的压缩载荷、扭转载荷和三点弯载荷，Fc_d、Ft_d、Fbe_d分别为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件在所述给定位移时的压缩载荷、扭转载荷和三点弯载荷，Fbu为所述车辆配件的第一阶屈曲载荷，Fbu_d为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的第一阶屈曲载荷。

可选地，所述根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能的步骤还满足：Price≤Price_d，其中，Price_d为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的单价，Price为所述车辆配件的单价。

可选地，所述车辆配件为车辆的顶盖中横梁。

本公开还提供一种三维编织复合材料的车辆配件，所述车辆配件根据本公开提供的方法制作而成。

通过上述技术方案，以车辆配件的密度最小为优化目标，以车辆配件的力学性能为约束条件，根据遗传算法，得到制作车辆配件的三维编织复合材料的理想的编织工艺。这样，弥补了设计人员设计经验不足的缺陷，提高了设计效率，在满足车辆配件的力学性能的情况下，使车辆配件的质量最小，从而实现了车辆的减重。

本公开的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本公开的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本公开，但并不构成对本公开的限制。在附图中：

图1是一示例性实施例提供的三维编织复合材料的车辆配件制作方法的流程图；

图2是一示例性实施例提供的三维编织复合材料的结构示意图；

图3是图2中碳纤维与玻璃纤维之间的编织角的示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本公开的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本公开，并不用于限制本公开。

图1是一示例性实施例提供的三维编织复合材料的车辆配件制作方法的流程图。所述三维编织复合材料包括碳纤维和玻璃纤维。如图1所示，所述方法可以包括以下步骤。

在步骤S11中，根据预定的细观模型，确定三维编织复合材料的刚度与编织工艺之间的关系。

在步骤S12中，根据所述关系建立由三维编织复合材料制作的车辆配件的力学模型。车辆配件例如可以为车辆的顶盖中横梁。

在步骤S13中，根据力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据目标编织工艺制作的车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据初始编织工艺制作的车辆配件的力学性能。

在步骤S14中，根据所确定的目标编织工艺制作车辆配件。

具体地，本公开所述的三维编织复合材料由碳纤维和玻璃纤维进行混编，然后由基底填充而成。其中，所述编织工艺可以包括碳纤维与玻璃纤维之间的编织角、全部纤维在三维编织复合材料中的体积占比、碳纤维在全部纤维中的体积占比。

图2是一示例性实施例提供的三维编织复合材料的结构示意图。如图2所示，碳纤维10为水平方向，玻璃纤维11在碳纤维10上下成一定角度交错编织。编织角是指碳纤维与玻璃纤维之间的夹角。图2所示的三维编织复合材料中，碳纤维10与玻璃纤维11之间有两种夹角。图3是图2中碳纤维与玻璃纤维之间的编织角的示意图。如图3所示，碳纤维10与玻璃纤维11之间的夹角可以为+α和-α两种。

在编织工艺中，除碳纤维与玻璃纤维之间的编织角之外，全部纤维在三维编织复合材料中的体积占比、以及碳纤维在全部纤维中的体积占比，也在一定程度上决定着最终三维编织复合材料的刚度。

在一实施例中，三维编织复合材料的刚度与编织工艺之间的关系可以用以下方程表示：

[C_global]＝V₀[C₀]+V_+α[C_+α]+V_-α[C_-α]+V_matrix[C_matrix] (1)

其中，C_global为三维编织复合材料的刚度，C₀为碳纤维的刚度，C_+α为编织角为α的玻璃纤维的刚度，C_-α为编织角为-α的玻璃纤维的刚度，C_matrix为三维编织复合材料中的基体的刚度，V₀为碳纤维在三维编织复合材料中的体积占比，V_+α为编织角为+α的玻璃纤维在三维编织复合材料中的体积占比，V_-α为编织角为-α的玻璃纤维在三维编织复合材料中的体积占比，V_matrix为基体在三维编织复合材料中的体积占比，[·]表示矩阵。

其中，各个体积占比可以由三维编织复合材料的单胞模型计算得到。

也就是，在上述方程(1)中，以编织角、全部纤维在三维编织复合材料中的体积占比、以及碳纤维在全部纤维中的体积占比为变量，建立了三维编织复合材料的参数化刚度矩阵。该矩阵描述了三维编织复合材料的刚度与编织角、全部纤维在三维编织复合材料中的体积占比、以及碳纤维在全部纤维中的体积占比这三者之间的关系。

其中，细观模型可以采用常用的模型，其模型的建立方法此处不再详细描述。

接下来，在步骤S12中，所述力学模型是用于描述三维编织复合材料的力学性能与编织工艺之间的关系。所述力学模型可以包括：模态分析模型、压缩刚度分析模型、扭转刚度分析模型、三点弯刚度分析模型和屈曲分析模型。力学模型可以通过工程设计中的计算机辅助工程(Computer Aided Engineering，CAE)来建立。

根据力学模型，可以分析各种编织工艺下用于描述车辆配件的力学性能的参数，这些参数例如可以包括：第一阶模态频率、第二阶模态频率、第三阶模态频率、压缩刚度、扭转刚度、三点弯刚度和屈曲极限载荷。

接下来，设定一个初始编织工艺，就可以车载配件的密度最小为优化目标，根据遗传算法，找到目标编织工艺了。

在一实施例中，根据力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据目标编织工艺制作的车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据初始编织工艺制作的车辆配件的力学性能的步骤(步骤S13)可以包括：根据力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得ρ最小。

ρ＝(1—V₁)ρ₁+V₁V₂ρ₂+(V₁—V₁V₂)ρ₃ (2)

并且，

Freq1≥Freq1_d

Freq2≥Freq2_d

Freq3≥Freq3_d

Fc≥Fc_d (3)

Ft≥Ft_d

Fbe≥Fbe_d

Fbu≥Fbu_d

其中，ρ为车辆配件的密度，ρ₁为三维编织复合材料中的基体的密度，ρ₂为碳纤维的密度，ρ₃为玻璃纤维的密度，V₁为全部纤维在三维编织复合材料中的体积占比，V₂为碳纤维在全部纤维中的体积占比，Freq1、Freq2、Freq3分别为车辆配件的第一阶模态频率、第二阶模态频率和第三阶模态频率，Freq1_d、Freq2_d、Freq3_d分别为根据初始编织工艺制作的车辆配件的第一阶模态频率、第二阶模态频率和第三阶模态频率，Fc、Ft、Fbe分别为车辆配件在给定位移时的压缩载荷、扭转载荷和三点弯载荷，Fc_d、Ft_d、Fbe_d分别为根据初始编织工艺制作的车辆配件在给定位移时的压缩载荷、扭转载荷和三点弯载荷，Fbu为车辆配件的第一阶屈曲载荷，Fbu_d为根据初始编织工艺制作的车辆配件的第一阶屈曲载荷。

具体地，可以采用Matlab GA工具箱进行优化计算。Freq1、Freq2、Freq3、Fc、Ft、Fbe可以通过Abaqus仿真软件计算得到。

例如，压缩载荷对应的给定位移可以为1mm，三点弯载荷对应的给定位移可以为6mm，扭转载荷的给定位移可以为0.07rad。

在该实施例中，对于上述方程(3)中的每个力学性能参数而言，都是目标编织工艺下的参数大于等于初始编织工艺下的参数，也就是，根据目标编织工艺制作的车辆配件，其力学性能不低于根据初始编织工艺制作的车辆配件的力学性能。根据遗传算法，在车辆配件的力学性能不降低的条件下，找到其密度最小时所对应的三维编织复合材料的编织工艺。

对于遗传算法终止的条件，例如可以采用密度小于预定的密度阈值，或者得出的密度的差小于预定的差值阈值。

该实施例中，从多个角度较全面地考虑了车辆配件的力学性能，保证了车辆配件总体的力学性能不受影响，从而能够得到较理想的编织工艺。

在以上实施例的基础上，还可以增加考虑价格的因素，即同时考虑把车辆配件的价格控制在一定的价格水平。在又一实施例中，根据力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据目标编织工艺制作的车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据初始编织工艺制作的车辆配件的力学性能的步骤(步骤S13)还可以满足：

Price≤Price_d (4)

其中，Price_d为根据初始编织工艺制作的车辆配件的单价，Price为车辆配件的单价。也就是，应用遗传算法，在满足方程(3)和(4)的条件下，找到能够使得(2)中的密度ρ最小的三维编织复合材料的编织工艺。

车辆配件的单价可以根据编织工艺中碳纤维、玻璃纤维、基体这三者的价格及其之间的体积配比来计算得到。

确定了满足上述条件的目标编织工艺之后，就可以根据所确定的目标编织工艺来制作车辆配件。

通过上述技术方案，以车辆配件的密度最小为优化目标，以车辆配件的力学性能为约束条件，根据遗传算法，得到制作车辆配件的三维编织复合材料的理想的编织工艺。这样，通过计算机自动完成车辆配件的力学性能分析，弥补了设计人员设计经验不足的缺陷，提高了设计效率，在满足车辆配件的力学性能的情况下，使车辆配件的质量最小，从而实现了车辆的减重。

本公开还提供一种三维编织复合材料的车辆配件，所述车辆配件可以根据上述方法制作而成，如此制作的车辆配件，力学性能不减弱且质量更小。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所公开的内容。

Claims (8)

1.一种三维编织复合材料的车辆配件制作方法，所述三维编织复合材料包括碳纤维和玻璃纤维，其特征在于，所述方法包括：

根据预定的细观模型，确定所述三维编织复合材料的刚度与编织工艺之间的关系；

根据所述关系建立由所述三维编织复合材料制作的所述车辆配件的力学模型；

根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能；

根据所确定的目标编织工艺制作所述车辆配件。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述编织工艺包括所述碳纤维与所述玻璃纤维之间的编织角、全部纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比、所述碳纤维在全部纤维中的体积占比。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述关系用以下方程表示：

[C_global]＝V₀[C₀]+V_+α[C_+α]+V_-α[C_-α]+V_matrix[C_matrix]

其中，C_global为所述三维编织复合材料的刚度，C₀为所述碳纤维的刚度，C_+α为编织角为α的玻璃纤维的刚度，C_-α为编织角为-α的玻璃纤维的刚度，C_matrix为所述三维编织复合材料中的基体的刚度，V₀为所述碳纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V_+α为编织角为+α的玻璃纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V_-α为编织角为-α的玻璃纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V_matrix为所述基体在所述三维编织复合材料中的体积占比，[·]表示矩阵。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述力学模型包括：模态分析模型、压缩刚度分析模型、扭转刚度分析模型、三点弯刚度分析模型和屈曲分析模型。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能的步骤包括：

根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得ρ最小，ρ＝(1—V₁)ρ₁+V₁V₂ρ₂+(V₁—V₁V₂)ρ₃，并且，

Freq1≥Freq1_d

Freq2≥Freq2_d

Freq3≥Freq3_d

Fc≥Fc_d

Ft≥Ft_d

Fbe≥Fbe_d

Fbu≥Fbu_d

其中，ρ为所述车辆配件的密度，ρ₁为所述三维编织复合材料中的基体的密度，ρ₂为所述碳纤维的密度，ρ₃为所述玻璃纤维的密度，V₁为全部纤维在所述三维编织复合材料中的体积占比，V₂为所述碳纤维在全部纤维中的体积占比，Freq1、Freq2、Freq3分别为所述车辆配件的第一阶模态频率、第二阶模态频率和第三阶模态频率，Freq1_d、Freq2_d、Freq3_d分别为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的第一阶模态频率、第二阶模态频率和第三阶模态频率，Fc、Ft、Fbe分别为所述车辆配件在给定位移时的压缩载荷、扭转载荷和三点弯载荷，Fc_d、Ft_d、Fbe_d分别为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件在所述给定位移时的压缩载荷、扭转载荷和三点弯载荷，Fbu为所述车辆配件的第一阶屈曲载荷，Fbu_d为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的第一阶屈曲载荷。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据所述力学模型、遗传算法和预设的初始编织工艺，确定目标编织工艺，使得根据所述目标编织工艺制作的所述车辆配件密度最小，并且力学性能不低于根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的力学性能的步骤还满足：

Price≤Price_d

其中，Price_d为根据所述初始编织工艺制作的所述车辆配件的单价，Price为所述车辆配件的单价。

7.根据权利要求1-6中任一权利要求所述的方法，其特征在于，所述车辆配件为车辆的顶盖中横梁。

8.一种三维编织复合材料的车辆配件，其特征在于，所述车辆配件根据权利要求1-7中任一权利要求所述的方法制作而成。