CN110781603A

CN110781603A - 一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法

Info

Publication number: CN110781603A
Application number: CN201911069730.6A
Authority: CN
Inventors: 钱攀; 孟祥龙
Original assignee: Shanghai Wave Industry Co Ltd
Current assignee: Shanghai Wave Industry Co Ltd
Priority date: 2019-11-05
Filing date: 2019-11-05
Publication date: 2020-02-11
Anticipated expiration: 2039-11-05
Also published as: CN110781603B

Abstract

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法，包括：产品结构性能分析，产品结构与铺层设计以及连接装配工艺流程。本发明能够有效解决汽车碳纤维增强复合材料CFRP加强件在性能分析、结构与铺层设计、出图制件、连接装配等不同工作阶段中存在的问题，以提供给制造部门足够令人信服的设计依据。本发明通过对一种汽车碳纤维复合材料加强件设计方法进行阐述，能够有效将设计、分析、制造及装配阶段等一系列工作内容进行串联，大幅度提高工作效率，使CFRP开发流程更加规范化。

Description

一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法

技术领域

本发明涉及计算机仿真技术领域，尤其涉及一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法。

背景技术

在当今节能减排、开发新能源汽车的行业背景下，车身材料轻量化是目前全球汽车工业技术研发的主要目标之一，碳纤维增强复合材料(CFRP，Carbon Fiber ReinforcedPolymer/Plastic)以其轻质高强、减振降噪、能够实现结构与功能一体化等优异的材料特性而逐渐成为业界的新宠。在全新的BMW7系车身结构中，CFRP被用于顶盖横梁、B柱、C柱、底部侧围、中通道等加强结构，并与金属车身骨架进行装配连接，相比于上一代车型，整车重量减轻130公斤，提高了舒适度和安全性，成为国内外汽车行业开发碳纤维复合材料零部件的先驱者。

由于复合材料的固有特性与金属材料存在较大差异，基于复合材料的汽车零部件设计方法不能直接套用传统金属产品的设计技术，需要综合考虑复合材料特性、性能要求、成型技术、重量和成本等多方面因素。目前国内碳纤维复合材料在汽车上的应用仍处于探索积累阶段，还没有到批量化生产规模，并且大多是从金属方案等刚度设计而来，对复合材料零部件的性能评价大多仍沿用金属产品的行业法规。

综上，目前国内对于汽车CFRP零部件开发，并没有形成一套规范的设计流程和开发体系，设计人员和工艺制造人员各自闭门造车，均处于摸索阶段，故产生了设计与制造间的“分层效应”。例如工人在模具上铺覆裁剪纤维布时，并没有很好的依照设计成果去解决铺层褶皱，导致生产出来的产品会出现局部气泡，固化后纤维层杂乱堆叠等现象。

发明内容

针对上述现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法，有效解决汽车CFRP加强件在性能分析、结构与铺层设计、出图制件、连接装配等不同工作阶段中存在的问题，以提供给制造部门足够令人信服的设计依据。

本发明实施例提供的一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法，该方法包括：

第一步，产品结构性能分析；

结合产品结构的强度、刚度性能要求，引入复合材料应变和单层破坏设计准则，进行碳纤维增强复合材料结构性能分析，以确定产品结构及铺层；

第二步，产品结构与铺层设计；

以碳纤维增强复合材料性能分析结果为基本输入，同时结合结构及铺层的设计准则进行迭代设计；

第三步，连接装配；

汽车碳纤维增强复合材料加强件与金属零件连接分为设计和工艺两个阶段，首先确定异种材质零件连接界面，其次对连接材料进行选择和测试，并确定最终的连接装配工艺方案。

进一步地，上述方法中，所述产品结构性能分析开发流程，包括：

1)输入自由模态、强度工况以及刚度工况的边界条件，对原始金属结构进行性能分析得到性能指标；

2)对原复合材料进行测试；

3)输入复合材料参数，确定碳纤维增强复合材料结构初步模型；

4)对所述初步模型进行尺寸优化；

5)优化后，得到碳纤维增强复合材料结构详细模型；

6)输入自由模态、强度工况以及刚度工况的边界条件，对碳纤维增强复合材料结构进行性能分析得到性能指标；

7)将碳纤维增强复合材料结构性能指标与金属结构性能指标进行结果对比；

8)若碳纤维增强复合材料结构性能指标大于金属结构性能指标，则分析通过，确定结构和铺层；若碳纤维增强复合材料结构性能指标小于金属结构性能指标，则分析不通过，重新返回对初步模型进行尺寸优化的步骤。

进一步地，上述方法中，所述产品结构及铺层设计流程，包括：

1)输入碳纤维增强复合材料结构性能分析结果；

2)对结构的加强凸台、转角、斜坡、开孔特征进行修型，得到满足复材工艺制造的结构形式；

3)通过铺层优化结果，将铺层信息导入到软件中，进行铺层模拟仿真设计，包括但不限于可制造性分析、展开图设计和3D截面检查；

4)对上述结构及铺层进行迭代设计；

5)设计完成后，进行工况验证；

6)工况验证通过后，产品出图。

进一步地，上述方法中，所述对结构的加强凸台、转角、斜坡、开孔特征进行修型，具体包括：加强凸台清除、转角大曲率修型、斜坡平缓修型以及开孔去除。

进一步地，上述方法中，根据铺层剪口以及分块方案进行可制造性分析。

进一步地，上述方法中，所述连接装配设计流程，包括：

1)碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接界面设计；

2)碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式设计；

3)设计阶段完成后，通过对连接材料进行选择和测试，确定最终的连接装配工艺方案；

4)最后进行产品试装。

进一步地，上述方法中，所述碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式，包括但不限于以下一种或多种：机械连接、胶粘连接以及混合连接。

进一步地，上述方法中，所述碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式，还根据防电偶腐蚀和开孔密封特征确定。

进一步地，上述方法中，所述对连接材料进行选择和测试，包括胶粘剂选择及胶粘剂测试，或紧固件选择及紧固件性能测试。

与现有技术相比，本发明实施例汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法包括：产品结构性能分析，产品结构与铺层设计以及连接装配工艺流程。本发明能够有效解决汽车碳纤维增强复合材料CFRP加强件在性能分析、结构与铺层设计、出图制件、连接装配等不同工作阶段中存在的问题，以提供给制造部门足够令人信服的设计依据。本发明通过对一种汽车碳纤维复合材料加强件设计方法进行阐述，能够有效将设计、分析、制造及装配阶段等一系列工作内容进行串联，大幅度提高工作效率，使CFRP开发流程更加规范化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法流程图；

图2为本发明提供的产品结构性能分析开发流程示意图；

图3为本发明提供的产品结构及铺层设计流程示意图；

图4为本发明提供的连接装配设计流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部份实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例通过以汽车CFRP中通道加强板为例，阐述基本设计流程及开发思路，以达到汽车零部件轻量化技术指标。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

如图1所示，本发明实施例公开了一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法，该方法包括：

第一步，产品结构性能分析；

第二步，产品结构与铺层设计；

第三步，连接装配；

本发明实施例通过对一种汽车碳纤维复合材料加强件设计方法进行阐述，能够有效将设计、分析、制造及装配阶段等一系列工作内容进行串联，大幅度提高工作效率，使CFRP开发流程更加规范化。

进一步地，如图2所示，所述产品结构性能分析开发流程，包括：

2)对原复合材料进行测试；

4)对所述初步模型进行尺寸优化；

5)优化后，得到碳纤维增强复合材料结构详细模型；

本发明实施中，性能分析，首先要考虑的因素是结构的强度、刚度性能要求，由于目前没有成熟的针对CFRP零部件的性能要求规范，因此性能指标可使用现行法规要求或其他企业规范及要求，对不适用项进行筛选和处理，引入复合材料应变和单层破坏设计准则。

本发明实施例通过对原始金属结构进行分析得到性能指标，在此基础上设计出性能不低于原金属方案的CFRP产品。具体的，有了零件模型与初始铺层表，即可建立零部件的有限元模型，同时输入材料参数与各种工况的边界条件对CFRP零部件进行详细性能分析。由于复合材料材料参数繁多，失效形式多样，导致复合材料零件分析工作比相应金属零部件要复杂得多。

进一步地，如图3所示，所述产品结构及铺层设计流程，包括：

1)输入碳纤维增强复合材料结构性能分析结果；

4)对上述结构及铺层进行迭代设计；

5)设计完成后，进行工况验证；

6)工况验证通过后，产品出图。

进一步地，如图3所示，所述对结构的加强凸台、转角、斜坡、开孔特征进行修型，具体包括：加强凸台清除、转角大曲率修型、斜坡平缓修型以及开孔去除。

进一步地，如图3所示，根据铺层剪口以及分块方案进行可制造性分析。

本发明实施例，以CFRP性能分析结果为基本输入，同时考虑结构及铺层的设计准则进行迭代设计。本发明实施例所设计的CFRP结构，满足与周边结构的装配连接，保证设计硬点不变(设计硬点是总布置设计过程中，为保证零部件之间的协调和装配关系，及造型风格要求所确定的控制点(或坐标)，控制线，控制面及控制结构的总称，一般由项目主设计提出，由整车科提供最终的数据)。设计硬点是汽车零部件设计和选型，内外饰附件设计及车身设计的最重要的设计原则，也是各项目组公共认可的尺度和设计原则。因此，本发明实施例同时对结构的加强凸台、转角、斜坡、开孔等特征进行修型，得到满足复材工艺制造的结构形式。通过铺层优化结果，将铺层信息导入到相关软件中，进行一系列铺层模拟仿真设计，例如制造性分析、截面图生成及查看、展开图布局等，并最终生成二维图纸等设计成果。

进一步地，如图4所示，所述连接装配设计流程，包括：

1)碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接界面设计；

2)碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式设计；

4)最后进行产品试装。

进一步地，如图4所示，所述碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式，包括但不限于以下一种或多种：机械连接、胶粘连接以及混合连接。

进一步地，如图4所示，所述碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式，还根据防电偶腐蚀和开孔密封特征确定。

进一步地，如图4所示，所述对连接材料进行选择和测试，包括胶粘剂选择及胶粘剂测试，或紧固件选择及紧固件性能测试。

本发明实施例汽车CFRP加强件与金属零件连接主要分为设计和工艺两个阶段。实施中，首先要确定的是异种材质零件连接界面，连接方式选择适用于复合材料的胶接、机械连接、混合连接等方式，在设计过程中要考虑局部位置防电偶腐蚀和开孔密封等问题。设计阶段完成后，就要对连接材料进行选择和测试，并确定最终的连接装配工艺方案。

综上，本发明实施例能够有效解决汽车CFRP加强件在性能分析、结构与铺层设计、出图制件、连接装配等不同工作阶段中存在的问题，以提供给制造部门足够令人信服的设计依据。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims

1.一种汽车碳纤维增强复合材料加强件设计方法，其特征在于，该方法包括：

第一步，产品结构性能分析；

第二步，产品结构与铺层设计；

第三步，连接装配；

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产品结构性能分析开发流程，包括：

2)对原复合材料进行测试；

4)对所述初步模型进行尺寸优化；

5)优化后，得到碳纤维增强复合材料结构详细模型；

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产品结构及铺层设计流程，包括：

1)输入碳纤维增强复合材料结构性能分析结果；

4)对上述结构及铺层进行迭代设计；

5)设计完成后，进行工况验证；

6)工况验证通过后，产品出图。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述对结构的加强凸台、转角、斜坡、开孔特征进行修型，具体包括：加强凸台清除、转角大曲率修型、斜坡平缓修型以及开孔去除。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据铺层剪口以及分块方案进行可制造性分析。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述连接装配设计流程，包括：

1)碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接界面设计；

2)碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式设计；

4)最后进行产品试装。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式，包括但不限于以下一种或多种：机械连接、胶粘连接以及混合连接。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料加强件与金属零件的连接方式，还根据防电偶腐蚀和开孔密封特征确定。

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述对连接材料进行选择和测试，包括胶粘剂选择及胶粘剂测试，或紧固件选择及紧固件性能测试。