CN110826222B - 一种汽车碳纤维增强复合材料覆盖件正向开发方法 - Google Patents

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覆盖件正向开发方法，包括材料和成型工艺选择、材料样条性能测试、初始铺层设计、产品结构设计、产品结构可制造性分析验证及优化、产品结构性能分析及优化设计、产品制造设计和数据整合、产品试验件生产及实验对标验证开发流程。本发明汽车碳纤维增强复合材料覆盖件的正向开发流程遵循了汽车零部件使用复合材料的初衷，充分发挥了复合材料的性能优势，有效的规避成型工艺的风险，缩短产品的开发周期，最大限度的降低产品开发成本，充分发挥CFRP的性能特质，实现产品的轻质高能。本发明产品开发逻辑与汽车轻量化趋势、节能减排理念相符。

Description

一种汽车碳纤维增强复合材料覆盖件正向开发方法

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覆盖件正向开发方法。

背景技术

随着汽车轻量化的发展趋势，碳纤维增强复合材料(CFRP，Carbon FiberReinforced Polymer/Plastic)以其轻质高强，且减震降噪、耐疲劳等优异性能成为汽车零部件研发的主流材料。

目前国内的汽车CFRP零部件研发的主要思路仍是基于原有的金属零部件，根据金属件的性能进行等效转化，通过铺层设计、结构更改等工作从而达到产品的减重目标。

由于CFEP具有材料各向异性的特质，与传统的金属有着本质的区别。从金属件转化设计成CFRP件，往往采取的是一种超规格设计零件的做法，然而这种做法无法充分发挥CFRP的性能优势，且产品成型工艺风险、开发周期以及开发成本难以控制，导致使用复合材料的初衷落空。

综上，现有汽车CFRP零部件基于原有的金属零部件，通过铺层设计、结构更改等工作进行产品性能等效转化，没有形成一套规范的开发流程和设计规范，处于探索阶段，对产品的成型工艺风险、开发周期以及开发成本难以控制，材料的性能无法充分发挥。

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覆盖件正向开发方法，从而有效的规避成型工艺的风险，缩短产品的开发周期，最大限度的降低产品开发成本，充分发挥CFRP的性能特质，实现产品的轻质高能。

本发明实施例提供的一种汽车碳纤维增强复合材料覆盖件正向开发方法，该方法包括：

第一步，材料和成型工艺选择；

收集原材料供应商供应的材料信息，根据材料的基本属性、材料的价格、材料来源的稳定性综合选择产品的原材料，并根据产品结构的复杂程度，产品的性能要求，产品的成型周期以及工艺设备成本选择材料成型工艺；

第二步，材料样条性能测试；

根据第一步选择的材料以及成型工艺，按照材料测试标准制成样条并做实验测试样条的各项性能，以得到性能参数作为设计的依据和分析的输入；

第三步，初始铺层设计；

根据受载工况、材料的性能参数，按照复合材料的丢层规范、拼接规范和对称均衡铺层准则，结合碳纤维增强复合材料的各向异性，拟定产品的初始铺层方案；

第四步，产品结构设计；

汽车碳纤维增强复合材料覆盖件的外板结构与A面轮廓完全贴合，内板结构与周边结构具有装配连接关系，同时结合材料的特殊性，在保证产品性能的前提下简化产品结构的特征，以满足碳纤维增强复合材料的可成型性；

第五步，产品结构可制造性分析验证及优化；

运用仿真软件对产品初步结构对应的初始铺层进行可制造性分析，验证产品结构设计的合理性，可制造性优化与结构优化同时迭代进行，消除产品后期成型的风险；

第六步，产品结构性能分析及优化设计；

迭代进行产品性能分析与结构设计，对于模型平板结构进行拓扑优化，确定产品构型，而后通过自由尺寸优化和尺寸优化得到铺层比和铺层设计方案，从而确定产品料厚；

对满足结构、铺层以及制造可行性要求的结构方案进行性能分析和验证，通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，找出最终符合各项要求的方案，完成产品前期设计；

第七步，产品制造设计与数据整合；

根据整合的产品的结构数模、碳纤维增强复合材料相关集成对象、碳纤维增强复合材料展开图数据和二维工程图产品制造数据，进行产品制造设计；

第八步，产品试验件生产及实验对标验证；

预开玻璃钢模具，对产品进行试产，模拟工况进行试验、对标。

进一步地，上述方法中，所述产品结构可制造性分析优化流程，包括：

1)创建产品结构数模；

2)根据坐标原点、0°方向、边界以及贴模面，创建产品几何要素；

3)根据材料、坐标系、层合板以及铺层信息，创建仿真对象；

4)对创建的仿真对象，进行可制造性分析验证；

5)若通过验证，则输出仿真对象；若没有通过验证，则继续进行下一步操作；

6)根据分块、剪口、铺层原点以及铺覆方式，进行可制造性优化；

7)优化成功，则输出仿真对象；若优化失败，则继续进行下一步操作；

8)根据拔模角、圆/倒角、曲面曲率以及去除非必要凹凸台，进行模型结构优化，重新进行创建产品几何要素的步骤操作。

进一步地，上述方法中，所述产品结构性能分析优化流程，包括：

1)对模型平板结构进行拓扑优化，确定产品初始结构造型；

2)通过自由尺寸优化和尺寸优化，确定产品铺层比；

3)通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，校核产品方案的性能可行性，完成工况验证。

进一步地，上述方法中，所述产品制造设计流程，包括：

1)确定产品方案模型；

2)确定碳纤维增强复合材料与金属的连接设计、防腐设计；

3)将确定的汽车碳纤维增强复合材料覆盖件与周边件进行装配，校核；

4)得到工程图，并根据工程出图，指导制造工艺。

进一步地，上述方法中，所述碳纤维增强复合材料与金属的连接设计，包括但不限于以下一种或多种：胶接、螺接、铆接以及混合连接。

进一步地，上述方法中，所述碳纤维增强复合材料与金属的防腐设计，包括但不限于以下一种或多种：喷漆、铺玻璃布、湿装配以及胶层隔离。

与现有技术相比，本发明实施例汽车碳纤维增强复合材料覆盖件正向开发方法包括材料和成型工艺选择、材料样条性能测试、初始铺层设计、产品结构设计、产品结构可制造性分析验证及优化、产品结构性能分析及优化设计、产品制造设计和数据整合、产品试验件生产及实验对标验证开发流程。本发明汽车碳纤维增强复合材料覆盖件的正向开发流程遵循了汽车零部件使用复合材料的初衷，充分发挥了复合材料的性能优势，有效的规避成型工艺的风险，缩短产品的开发周期，最大限度的降低产品开发成本，充分发挥CFRP的性能特质，实现产品的轻质高能。本发明产品开发逻辑与汽车轻量化趋势、节能减排理念相符。

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覆盖件正向开发方法流程图；

图2为本发明提供的产品结构可制造性分析优化流程示意图；

图3为本发明提供的产品结构性能分析优化流程示意图；

图4为本发明提供的产品制造设计流程示意图。

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。

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覆盖件正向开发方法，该方法包括：

第一步，材料和成型工艺选择；

收集原材料供应商供应的材料信息，根据材料的基本属性、材料的价格、材料来源的稳定性综合选择产品的原材料，并根据产品结构的复杂程度，产品的性能要求，产品的成型周期以及工艺设备成本选择材料成型工艺；

第二步，材料样条性能测试；

根据第一步选择的材料以及成型工艺，按照材料测试标准制成样条并做实验测试样条的各项性能，以得到性能参数作为设计的依据和分析的输入；

第三步，初始铺层设计；

根据受载工况、材料的性能参数，按照复合材料的丢层规范、拼接规范和对称均衡铺层准则，结合碳纤维增强复合材料的各向异性，拟定产品的初始铺层方案；

第四步，产品结构设计；

汽车碳纤维增强复合材料覆盖件的外板结构与A面轮廓完全贴合，内板结构与周边结构具有装配连接关系，同时结合材料的特殊性，在保证产品性能的前提下简化产品结构的特征，以满足碳纤维增强复合材料的可成型性；

第五步，产品结构可制造性分析验证及优化；

运用仿真软件对产品初步结构对应的初始铺层进行可制造性分析，验证产品结构设计的合理性，可制造性优化与结构优化同时迭代进行，消除产品后期成型的风险；

第六步，产品结构性能分析及优化设计；

迭代进行产品性能分析与结构设计，对于模型平板结构进行拓扑优化，确定产品构型，而后通过自由尺寸优化和尺寸优化得到产品铺层比和铺层设计方案，从而确定产品料厚；

对满足结构、铺层以及制造可行性要求的结构方案进行性能分析和验证，通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，找出最终符合各项要求的方案，完成产品前期设计；

第七步，产品制造设计与数据整合；

根据整合的产品的结构数模、碳纤维增强复合材料相关集成对象、碳纤维增强复合材料展开图数据和二维工程图产品制造数据，进行产品制造设计；

第八步，产品试验件生产及实验对标验证；

预开玻璃钢模具，对产品进行试产，模拟工况进行试验、对标。

实施中，在第一步材料和成型工艺选择，具体的，收集原材料供应商供应的材料信息。产品原材料的选择需集材料的基本属性、材料的价格、材料来源的稳定性等因素综合可考虑。另外，需学习了解各种复合材料成型工艺的优缺点。成型工艺的选择，需考虑产品结构的复杂程度，产品的性能要求，产品的成型周期以及工艺设备成本等因素。

实施中，在第四步产品结构设计中，汽车CFRP覆盖件的结构设计，以汽车前机盖为例，分为外板和内板结构。外板一方面需满足与A面轮廓完全贴合，达到造型要求，另一方面需考虑成型因素，解决倒扣无法脱模的问题；内板的结构设计，需要满足与周边结构的装配连接关系；同时对于结构本身，结合材料的特殊性，在保证产品性能的前提下，需要最大限度简化产品结构的特征，以满足CFRP的可成型性。

进一步地，如图2所示，所述产品结构可制造性分析优化流程，包括：

1)创建产品结构数模；

2)根据坐标原点、0°方向、边界以及贴模面，创建产品几何要素；

3)根据材料、坐标系、层合板以及铺层信息，创建仿真对象；

4)对创建的仿真对象，进行可制造性分析验证；

5)若通过验证，则输出仿真对象；若没有通过验证，则继续进行下一步操作；

6)根据分块、剪口、铺层原点以及铺覆方式，进行可制造性优化；

7)优化成功，则输出仿真对象；若优化失败，则继续进行下一步操作；

8)根据拔模角、圆/倒角、曲面曲率以及去除非必要凹凸台，进行模型结构优化，重新进行创建产品几何要素的步骤操作。

实施中，运用仿真软件对产品初步结构对应的初始铺层进行可制造性分析，验证产品结构设计的合理性。产品的结构设计需满足CFRP工艺成型要求，可制造性优化(分块、剪口、铺层原点以及铺覆方式)与结构优化(拔模角、圆/倒角、曲面曲率(光顺曲面)、去除非必要凹凸台)同时迭代进行，找出存在方案中的最佳方案，消除产品后期成型的风险，避免因产品制造问题而造成的时间和成本的浪费。

进一步地，如图3所示，所述产品结构性能分析优化流程，包括：

1)对模型平板结构进行拓扑优化，确定产品初始结构造型；

2)通过自由尺寸优化和尺寸优化，确定产品铺层比；

3)通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，校核产品方案的性能可行性，完成工况验证。

实施中，产品结构性能分析与结构设计是相连而不可独立的环节，两者需迭代进行。对于模型平板结构(等厚平板模型)根据材料参数进行拓扑优化，并根据材料堆积区域，确定产品构型(等厚加筋模型界面与连接)，而后通过性能指标进行自由尺寸优化和尺寸优化得到最佳铺层比和铺层设计方案，从而确定产品料厚。本发明实施例对满足结构、铺层以及制造可行性要求的结构方案进行性能分析和验证，通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，找出最终符合各项要求的方案，完成产品前期设计。

进一步地，如图4所示，所述产品制造设计流程，包括：

1)确定产品方案模型；

2)确定碳纤维增强复合材料与金属的连接设计、防腐设计；

3)将确定的汽车碳纤维增强复合材料覆盖件与周边件进行装配，校核；

4)得到工程图，并根据工程出图，指导制造工艺。

本发明实施例产品的制造数据包含产品的结构数模、CFRP相关集成对象、CFRP展开图数据和二维工程图，以满足产品制造相关信息，指导工艺生产。

进一步地，上述方法中，所述碳纤维增强复合材料与金属的连接设计，包括但不限于以下一种或多种：胶接、螺接、铆接以及混合连接。

进一步地，上述方法中，所述碳纤维增强复合材料与金属的防腐设计，包括但不限于以下一种或多种：喷漆、铺玻璃布、湿装配以及胶层隔离。

综上，本发明实施例汽车CFRP覆盖件的正向开发流程遵循了汽车零部件使用复合材料的初衷，充分发挥了复合材料的性能优势，有效的规避成型工艺的风险，缩短产品的开发周期，最大限度的降低产品开发成本，充分发挥CFRP的性能特质，实现产品的轻质高能。产品开发逻辑与汽车轻量化趋势、节能减排理念相符。

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 (6)

1.一种汽车碳纤维增强复合材料覆盖件正向开发方法，其特征在于，该方法包括：

第一步，材料和成型工艺选择；

收集原材料供应商供应的材料信息，根据材料的基本属性、材料的价格、材料来源的稳定性综合选择产品的原材料，并根据产品结构的复杂程度，产品的性能要求，产品的成型周期以及工艺设备成本选择材料成型工艺；

第二步，材料样条性能测试；

根据第一步选择的材料以及成型工艺，按照材料测试标准制成样条并做实验测试样条的各项性能，以得到性能参数作为设计的依据和分析的输入；

第三步，初始铺层设计；

根据受载工况、材料的性能参数，按照复合材料的丢层规范、拼接规范和对称均衡铺层准则，结合碳纤维增强复合材料的各向异性，拟定产品的初始铺层方案；

第四步，产品结构设计；

汽车碳纤维增强复合材料覆盖件的外板结构与A面轮廓完全贴合，内板结构与周边结构具有装配连接关系，同时结合材料的特殊性，在保证产品性能的前提下简化产品结构的特征，以满足碳纤维增强复合材料的可成型性；

第五步，产品结构可制造性分析验证及优化；

运用仿真软件对产品初步结构对应的初始铺层进行可制造性分析，验证产品结构设计的合理性，可制造性优化与结构优化同时迭代进行，消除产品后期成型的风险；

第六步，产品结构性能分析及优化设计；

迭代进行产品性能分析与结构设计，对于模型平板结构进行拓扑优化，确定产品构型，而后通过自由尺寸优化和尺寸优化得到铺层比和铺层设计方案，从而确定产品料厚；

对满足结构、铺层以及制造可行性要求的结构方案进行性能分析和验证，通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，找出最终符合各项要求的方案，完成产品前期设计；

第七步，产品制造设计与数据整合；

根据整合的产品的结构数模、碳纤维增强复合材料相关集成对象、碳纤维增强复合材料展开图数据和二维工程图产品制造数据，进行产品制造设计；

第八步，产品试验件生产及实验对标验证；

预开玻璃钢模具，对产品进行试产，模拟工况进行试验、对标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产品结构可制造性分析优化流程，包括：

1)创建产品结构数模；

2)根据坐标原点、0°方向、边界以及贴模面，创建产品几何要素；

3)根据材料、坐标系、层合板以及铺层信息，创建仿真对象；

4)对创建的仿真对象，进行可制造性分析验证；

5)若通过验证，则输出仿真对象；若没有通过验证，则继续进行下一步操作；

6)根据分块、剪口、铺层原点以及铺覆方式，进行可制造性优化；

7)优化成功，则输出仿真对象；若优化失败，则继续进行下一步操作；

8)根据拔模角、圆/倒角、曲面曲率以及去除非必要凹凸台，进行模型结构优化，重新进行创建产品几何要素的步骤操作。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述产品结构性能分析优化流程，包括：

1)对模型平板结构进行拓扑优化，确定产品初始结构造型；

2)通过自由尺寸优化和尺寸优化，确定产品铺层比；

3)通过与铺层设计、结构设计和可制造性分析的迭代分析以及工况校核，校核产品方案的性能可行性，完成工况验证。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述产品制造设计流程，包括：

1)确定产品方案模型；

2)确定碳纤维增强复合材料与金属的连接设计、防腐设计；

3)将确定的汽车碳纤维增强复合材料覆盖件与周边件进行装配，校核；

4)得到工程图，并根据工程出图，指导制造工艺。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料与金属的连接设计，包括但不限于以下一种或多种：胶接、螺接、铆接以及混合连接。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述碳纤维增强复合材料与金属的防腐设计，包括但不限于以下一种或多种：喷漆、铺玻璃布、湿装配以及胶层隔离。

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