CN111332070B - 一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构及其铺层设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，包括：外铺层块，其铺设在所述轮辋结构的外侧，为等厚度的多层结构；上铺层块，其铺设在所述轮辋结构的内侧上部，为变厚度的差层结构；下铺层块，其铺设在所述轮辋结构的内侧下部，为变厚度的差层结构；填充铺层块，其铺设在所述外铺层块、所述上铺层块以及所述下铺层块之间；其中，所述上铺层块和所述下铺层块的一端向内延伸，形成环形的连接凸缘；所述上铺层块的另一端向上延伸、所述下铺层块的另一端向下延伸后，与所述外铺层块形成辋环。通过三段对称堆叠式结构，采用差层的变厚度设计，使轮辋的重量轻、强度高。本发明还提供一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法。

Description

一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构及其铺层设计方法
技术领域
本发明涉及一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构及其铺层设计方法，属于汽车碳纤维复合材料零部件结构设计领域。
背景技术
碳纤维复合材料是以碳纤维为主体，树脂为基体的聚合物材料，其具有密度低、比强度高、比刚度高、耐疲劳、抗冲击、耐腐蚀、阻尼抗震性好和噪音小等优异的综合性能，并逐渐在汽车车身和底盘结构零部件上得到推广应用。在汽车行驶系中，车轮是重要的承载件和安全件，属于非簧载质量，工作中既有各向移动，又有绕车轮中心的旋转运动。以往的研究表明，其轻量化节能效果是汽车上普通移动部件的3-6倍。在服役过程中，车轮要同时承受纵向、垂向和侧向传来的弯曲、扭转、剪切和冲击等多种复杂动载荷作用，且车轮要长期暴露在外部环境中。因此，车轮需要具备良好的耐疲劳、耐腐蚀和抗冲击性能。在汽车操稳和平顺性方面，汽车车轮的轮辋的阻尼抗震性越好，整车的操稳性和平顺性越好。因此，将碳纤维复合材料用于车轮结构的设计，可以充分发挥碳纤维复合材料独特的性能优势，不仅能实现车轮的轻量化，而且能显著提高车轮以及整车的综合性能。
目前，碳纤维复合材料车轮在一些高级轿车和超级跑车上逐渐得到了应用，其结构设计方法和生产工艺尚未成熟。一些发明人对碳纤维复合材料车轮的结构设计及制造进行了努力。现阶段，涉及碳纤维复合材料车轮的结构设计和制造的专利和文献多是针对一体式车轮结构，中国专利申请号为201710879726.0的发明专利公开了一种采用一体化成型工艺来制备碳纤维复合材料车轮的方法；中国专利申请号为201710366507.2的发明专利公开了一种一体成型的全碳纤维轮毂，该专利设计了一种全碳纤维中空轮毂结构，使整个轮毂在具备高强度的同时减轻重量。根据我国节能与新能源汽车发展路线，随着汽车轻量化材料、结构和工艺技术的发展，性能更优的金属-碳纤维混合材料组装式车轮是新一轮的研发热点和难点。相对于一体式车轮，组装式车轮更能充分发挥不同材料独特的性能和制造优势，使车轮的综合性能更佳，制造工艺更简单、生产效率更高，同时，组装式车轮的维修经济性好，轮辋或轮辐某一零件破损后可分别单独更换，其维修和使用成本低，在未来的市场上应用前景广阔。在分体式车轮结构中，轮辋是轴对称回转体结构，更加适合采用碳纤维复合材料进行结构铺层或缠绕设计。然而，在分体组装式车轮结构领域，系统性的介绍分体式碳纤维复合材料轮辋的结构设计方法的专利和文献未见公开报道，存在着诸多技术空白和技术瓶颈。
发明内容
本发明设计开发了一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，通过外铺层块、上铺层块、下铺层块构成三段对称堆叠式碳纤维复合材料轮辋铺层结构，并采用差层的变厚度设计，使轮辋的重量轻、强度高、便于成型制造。
本发明还设计开发了一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法，通过优化变厚度区域的铺层厚度和铺层角度，使得到的所述碳纤维复合材料轮辋结构的质量最小、抗疲劳和抗冲击性能最优。
本发明提供的技术方案为：
一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构及其铺层设计方法，包括：
外铺层块，其铺设在所述轮辋结构的外侧，为等厚度的多层结构；
上铺层块，其铺设在所述轮辋结构的内侧上部，为变厚度的差层结构；
下铺层块，其铺设在所述轮辋结构的内侧下部，为变厚度的差层结构；
填充铺层块，其铺设在所述外铺层块、所述上铺层块以及所述下铺层块之间，为等厚度的多层结构；
其中，所述上铺层块和所述下铺层块的一端向内延伸，形成环形的连接凸缘；
所述上铺层块的另一端向上延伸、所述下铺层块的另一端向下延伸后，与所述外铺层块一同形成辋环。
优选的是，所述外铺层块共十五层，总厚度为2.25mm，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧方向进行铺贴，所述各铺层的铺层角度依次为：
[45°/-45°/0°/90°/45°/0°/90°/90°/90°/0°/-45°/90°/45°/90°/0°]。
优选的是，所述上铺层块共二十五层，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧方向进行铺贴，所述上铺层块包括依次连续设置的：第一上铺层域、第二上铺层域、第三上铺层域；
其中，
在所述第一上铺层域中，第六层、第十二层以及第二十层为差层，各差层的起始端均为所述上铺层块的另一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的递增值范围为：1.5～3mm，并且所述第二十层的终止端靠近所述第二上铺层域的一端；
在所述第三上层铺层域中，第三层、第九层、第十四层、第十七层以及第二十三层为差层，各差层的起始端均为所述上铺层块的一端，所述各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的递减增值范围为：1.5～3mm，并且所述第二十三层的终止端靠近所述第二上铺层域的另一端；
在铺设每一层差层时，其下一层均采取搭接的铺层方式，并且搭接的角度小于tan(1/10)；
所述上铺层块中，除上述所述差层外，剩余铺层均为共享层，其均匀覆盖铺设在所述第一上铺层域、所述第二上铺层域以及所述第三上铺层域中，并在第二十五层外侧再铺设一层玻璃纤维层。
优选的是，所述上铺层块各铺层的铺层角度由外向内依次为：
[45°/90°/-45°/0°/90°/45°/902°/-45°/0°/90°/45°/902°/-45°/0°/45°/90°/0°/-452°/45°]。
优选的是，所述下铺层块共三十六层，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧方向进行铺贴，包括依次连续设置的：第一下铺层域、第二下铺层域以及第三下铺层域；
其中，
在所述第一下铺层域中，第二层、第六层、第八层、第十一层、第十三层、第十六层、第十八层、第二十一层、第二十三层、第二十六层、第二十八层、第三十一层、第三十三层以及第三十五层均为差层，各差层的起始端均为所述下铺层块的一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增值范围为：1.5～3mm，并且所述第三十五层的终止端靠近所述第二下铺层域的一端；
在所述第三下铺层域中，第四层、第九层、第十四层、第十九层、第二十四层、第二十九层均为差层；各差层的起始端均为所述下铺层块的另一端，各差层的长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增值在1.5～3mm，所述第二十九层的终止端靠近所述第二下铺层域的另一端；
在铺设每一层差层时，其下一层均采取搭接的铺层方式，并且搭接的角度小于tan(1/10)；
所述下铺层块中，除上述差层外，剩余铺层均为共享层，均匀覆盖在所述第一下铺层域、所述第二下铺层域以及所述第三下铺层域中，并在第三十六层外侧再铺设一层玻璃纤维层。
优选的是，所述下铺层块的各铺层之间的铺层角由外向内依次为：
[45°/90°/0°/-45°/90°/45°/90°/-45°/0°/45°/90°/-45°/0°/90°/45°/90°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/90°/-45°/0°/45°/-45°/90°/45°]。
优选的是，所述填充铺层块包括十五层长度呈阶梯变化的铺层，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧进行铺贴，所述填充铺层块中各铺层的铺层角度依次为：
优选的是，所述外铺层块的第一层和第二层分别与所述上铺层块的第二十五层和第二十四层采用同一块铺层铺贴，所述外铺层块的第一层和第二层分别与所述下铺层块的第三十六层和三十五层采用同一块铺层铺贴，所述上铺层块的第二十五层和第二十四层分别与所述下铺层块的第三十六层和第三十五层采用同一块铺层铺贴。
一种变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法，其特征在于，包括：
设定所述碳纤维复合材料轮辋为等厚度结构，确定所述碳纤维复合材料轮辋结构的整体厚度；
基于疲劳和冲击工况对包含所述碳纤维复合材料轮辋结构的组装式车轮进行自由尺寸优化，得到变厚度区域和各区域的铺层厚度；
进行插层式变厚度铺层，并优化变厚度区域的铺层厚度和铺层角度，使得到的所述碳纤维复合材料轮辋结构的质量最小、抗疲劳和抗冲击性能最优。
优选的是，
所述整体厚度tc的确定公式为：
其中，ta为按照与所述变厚度的碳纤维材料轮辋结构同尺寸铸造的铝合金车轮轮辋的厚度，σsa为铝合金抗拉强度，σsc为碳纤维复合材料纵向拉伸强度；
进行插层式变厚度铺层时，在所述变厚度的碳纤维复合材料轮辋需要加厚的区域，采用插入差层的加层策略，在轮辋需要减薄的区域，采用减少共享层的减层策略，并且使整个所述变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的各铺层角度满足：+45°和-45°铺层数相等，总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层数所占的比例均不小于总铺层数的10％，同铺向角的连续铺层数不超过4层；
进行变厚度区域的铺层厚度和铺层角度优化时，使整个所述变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的各铺层的角度满足：+45°和-45°铺层数相等，总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层所占的比例均不小于10％，相同铺向角的连续铺层数不超过4层。
本发明所述的有益效果：
(1)本发明提出了碳纤维复合材料轮辋结构的“三段对称堆叠”式铺层设计方案，使轮辋结构更加紧凑，且三向对称式设计使轮辋结构在承受来自空间三个方向的静、动态载荷时抵抗结构变形的能力更强，同时，分段式铺层设计使轮辋的生产制造过程更加简便，进而提高轮辋的生产效率，降低生产成本，便于实现大批量生产；在轮辋结构的铺层厚度和角度优化设计时，“三段对称堆叠”式铺层能有效的减少轮辋铺层设计变量，防止变量维数的大幅增长使得优化算法难以收敛；
(2)本发明建立的碳纤维复合材料轮辋结构用变厚度铺层设计方法，在承载大的部位铺设较厚的铺层，在承载小的地方铺设较少的铺层，从而充分发挥每一部分材料的承载作用，使碳纤维复合材料轮辋结构的性能更卓越、重量更轻、使用材料更少，生产成本更低；
(3)本发明提出的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法，阐明了一种碳纤维复合材料轮辋结构的正向铺层结构设计方法，铺层设计便捷、铺层效率高，所设计的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构轻量化程度高、抗疲劳和抗冲击能力强；
(4)本发明所述的碳纤维复合材料轮辋，可与不同材料和不同结构形式的轮辐搭配使用，进而充分发挥混合材料车轮轮辐和轮辋各自独特的材料性能和成型制造工艺优势。
附图说明
图1为本发明所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的结构示意图；
图2为本发明所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的剖视图；
图3为本发明所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的铺层块的铺层示意图；
图4为本发明所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的装配图和爆炸图；
图5为本发明所述的外铺层块的铺层示意图；
图6为本发明的轮辋结构上铺层块的铺层区域划分及铺层示意图；
图7为本发明所述的下铺层块的铺层区域划分及铺层示意图；
图8为本发明所述的第一下铺层域的铺层示意图；
图9为本发明所述的第三下铺层域的铺层示意图；
图10为本发明所述的填充铺层块的铺层示意图；
图11为本发明所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1-10所示，本发明提供一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，包括：辋环100，连接凸缘200，外铺层块300、上铺层块400、下铺层块500以及填充铺层块600。变厚度碳纤维复合材料轮辋为轴对称的多层结构，外铺层块300设置在轮辋结构的外侧，上铺层块400铺设在轮辋结构的内侧上部，下铺层块500铺设在轮辋结构的内侧下部，在外铺层块300、上铺层块400、下铺层块500之间的形成的空隙中，还铺设有填充铺层块600，外铺层块、上铺层块、下铺层块构成“三段对称堆叠”式铺层形式。上铺层块400的一端和下铺层块的一端向对称轴方向延伸，形成连接凸缘200，连接凸缘200用于轮辋和与其相配的轮辐相连接，构成组装式车轮，连接凸缘200为水平设置，上铺层块400的另一端向上延伸、下铺层块500的另一端向下延伸后于外铺层块300一同形成辋环100。
其中，每一铺层块的长度尺寸由所设计的轮辋尺寸计算确定；外铺层块300的轴向轮廓形状根据轮辋的结构设计及其与轮胎安装配合要求，由轮辋成型模具内表面形状保证；上铺层块400和下铺层块500的轮廓形状由外铺层块300的形状及轮辋与轮辐连接凸缘200的结构确定，填充铺层块600的形状由上铺层块400和下铺层块500形状及轮辋与轮辐的连接凸缘200的结构形成；铺层顺序和纤维方向根据轮辋的疲劳和冲击性能要求选取。
外铺层块300为等厚度的多层结构，上铺层块400和下铺层块500均为变厚度的差层结构，在上铺层块400和下铺层块500中，均包含多个差层和共享层结构，并且沿铺贴方向，每一个差层的下一铺层均为共享层，其与差层之间采用搭接的铺层方式，搭接的角度小于tan(1/10)；其中，差层为：在铺层面的局部区域铺设的铺层；共享层为：在铺层面的全部区域铺设的铺层。
在本发明中，作为一种优选，碳纤维复合材料单层厚度以24K丝束T300的碳纤维编织成单向布来计算，取值为0.15mm。
对于其他丝束和型号的碳纤维，因材料力学性能和单层厚度发生变比，其铺层数、铺层顺序和每层的铺层方向需要做相应调整和改变，但“三段对称堆叠”式铺层设计方法普遍适用。
如图5-10所示，在本发明中，作为一种优选，外铺层块300、上铺层块400、下铺层块500以及填充铺层块600的铺贴方向均从轮辋的外侧面指向轮辋内侧对称轴线方向。
在本发明中作为一种优选，定义0°铺层方向为碳纤维丝平行于轮辋对称轴线或指向圆周中心的方向，定义90°铺层的方向为碳纤维丝垂直于轮辋对称轴线的方向，各铺层块的铺层角和铺层顺序如表1所示。
表1轮辋各铺层块的铺层角度和铺层顺序
如图3、图4、图5以及表1所示，外铺层块300采用等厚度铺层设计，总厚度为2.25mm，共铺设15层碳纤维复合材料层，各铺层的角度和顺序分别为：
[45°/-45°/0°/90°/45°/0°/90°/90°/90°/0°/-45°/90°/45°/90°/0°]。
如图3、图4、图6以及表1所示，上铺层块400根据轮辋的性能，采用变厚度铺层设计，共铺设25层碳纤维复合材料层，包括依次连续设置的：第一上铺层域401、第二上铺层域402以及第三上铺层域403三个子铺层区域。
在第一上铺层域401中，第6层4006、第12层4012、第20层4020均为差层，各差层的起始端均为上铺层块400的另一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增值范围为：1.5～3mm，同时，第20层的终止端靠近第二上铺层域402的一端；在第三上铺层域403中，第3层4003、第9层4009、第14层4014、第17层4017、第23层4023均为差层，各差层的起始端均为上铺层块400的一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增值范围为：1.5～3mm，其中，第3层的终止端超过轮辋与轮辐连接凸缘200的水平段，第23层的终止端靠近第二上铺层域402的另一端；在上铺层块400中，除上述差层外，其余铺层均为共享层，并均匀覆盖铺设在上铺层块400的第一上铺层域401、第二上铺层域402以及第三上铺层域403中。
在上铺层块400中，在第25层外层再另铺设一层的玻璃纤维铺层，避免碳纤维复合材料轮辋与异种材料的轮辐连接时因碳纤维导电而产生的电化学腐蚀问题，玻璃纤维铺层起始端在上铺层块的一端，终止端在轮辋与轮辐连接凸缘200的水平段末端；
在本发明中，作为一种优选，玻璃纤维铺层的厚度为0.1mm。
如图3、图4、图7、图8、图9以及表1所示，下铺层块500根据轮辋的性能，采用变厚度铺层设计，共铺设36层碳纤维复合材料层，包括依次连续设置的：第一下铺层域501、第二下铺层域502以及第三下铺层域503三个子铺层区域。
在第一下铺层域501中，第2层5002、第6层5006、第8层5008、第11层5011、第13层5013、第16层5016、第18层5018、第21层5021、第23层5023、第26层5026、第28层5028、第31层5031、第33层5033、第35层5035为差层，各差层的起始端均为下铺层块500的一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增范围为：1.5～3mm；其中，第2层铺层的终止端超过连接凸缘200的水平段，第35层铺层靠近第二下铺层域502的一端。在第三下铺层域503中，第4层5004、第9层5009、第14层5014、第19层5019、第24层5024、第29层5029均为差层，各差层的起始端均在辋环100的最下端，为下铺层块500的另一端，各差层的长度从外向内逐层递增，其中，第29层的终止端靠近第二下铺层域502的另一端；相邻两差层的长度递增值范围为：1.5mm-3.0mm；在下铺层块500中，除上述差层为，其余铺层均为共享层，均匀覆盖铺设在第一下铺层域501、第二下铺层域502以及第三下铺层域503三个子铺层区域内。
下铺层块500的各铺层的角度和顺序分别为：
[45°/90°/0°/-45°/90°/45°/90°/-45°/0°/45°/90°/-45°/0°/90°/45°/90°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/90°/-45°/0°/45°/-45°/90°/45°]。在下铺层块500的第36层5036碳纤维复合材料层外，另铺设一层的玻璃纤维铺层，避免碳纤维复合材料轮辋与异种材料的轮辐连接时因碳纤维导电而产生的电化学腐蚀问题，玻璃纤维铺层在起始端上铺层块的一端，终止端在轮辋与轮辐连接凸缘200的水平段末端；上铺层块400的玻璃纤维铺层和下铺层块500的玻璃纤维铺层均匀的将轮辋域轮辐的连接凸缘200均匀包覆。
在本发明中，作为一种优选，玻璃纤维铺层的厚度为0.1mm。
如图4和表1所示，外铺层块300的第1层和第2层碳纤维复合材料层分别与上铺层块400的第25层、第24层碳纤维复合材料层采用同一块铺层铺贴；同时，外铺层块300的第1层、第2层碳纤维复合材料层分别与下铺层块500的第36层、第35层5035碳纤维复合材料层采用同一块铺层铺贴；上铺层块400的第25层、第24层碳纤维复合材料层分别与下铺层块500的第36层、第35层5036碳纤维复合材料层采用同一块铺层铺贴。
外铺层块300的15个铺层与上铺层块400的17个共享层的铺层角度采取对称相等的策略；外铺层块300的15个铺层与下铺层块500的16个共享层的铺层角度采取对称相等的策略；上铺层块400的17个共享层与下铺层块500的16个共享层的铺层角度采取对称相等的策略。
如图6、图8、图9所示，在铺设上铺层块的第一上铺层域401的第6层4006、第12层4012、第20层4020差层，第三上铺层域403的第3层4003、第9层4009、第14层4014、第17层4017、第23层4023差层，下铺层块500的第一下铺层域501的第2层5002、第6层5006、第8层5008、第11层5011、第13层5013、第16层5016、第18层5018、第21层5021、第23层5023、第26层5026、第28层5028、第31层5031、第33层5033、第35层5035差层以及第三下铺层域503的第4层5004、第9层5009、第14层5014、第19层5019、第24层5024、第29层5029差层时，每一层差层的下一层铺层均采取搭接的方式，且搭接的角度小于tan(1/10)。
如图11所示，本发明还提供一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法，包括：
设定碳纤维复合材料轮辋为等厚度结构，确定碳纤维复合材料轮辋结构的整体厚度；
基于疲劳和冲击工况对包含所述碳纤维复合材料轮辋结构的组装式车轮进行自由尺寸优化，得到变厚度区域和各区域的铺层厚度；
进行插层式变厚度铺层，并优化变厚度区域的铺层厚度和铺层角度，使得到的碳纤维复合材料轮辋结构的质量最小、抗疲劳和抗冲击性能最优。
(1)初始厚度铺层方案确定：
设定碳纤维复合材料轮辋为等厚度结构，按照同尺寸铸造铝合金车轮轮辋的厚度尺寸，初步确定碳纤维复合材料轮辋的整体厚度：
整体厚度tc的确定公式为：
其中，ta为按照与所述变厚度的碳纤维材料轮辋结构同尺寸铸造的铝合金车轮轮辋的厚度，σsa为铝合金抗拉强度，σsc为碳纤维复合材料纵向拉伸强度；
再将总厚度按要求分配给每一铺层块的厚度，每一铺层块的铺层数由铺层块厚度除以所用碳纤维复合材料单层厚度算出，并经四舍五入取整。
(2)变厚度区域的确定：
在本发明中，作为一种优选，依照国家标准GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》、GB/T15704-2012《道路车辆轻合金车轮冲击试验方法》以及汽车行业标准QC/T991-2015《乘用车轻合金车轮90°冲击试验方法》规定的要求；
采用有限元方法，建立包含本发明的碳纤维复合材料轮辋结构的组装式车轮在弯曲和径向疲劳工况与13°和90°冲击工况下的仿真模型；
然后建立组装式车轮的自由尺寸优化模型，优化的设计变量为轮辋有限元模型中各单元的厚度；
优化的目标函数为疲劳和冲击工况下组装式车轮结构的综合柔度最小，优化的约束条件为碳纤维复合材料轮辋结构较同尺寸铸造铝合金车轮轮辋的减重率不低于设定的减重目标，设置轮辋的单层最小铺层厚度；
设置+45°和-45°铺层数相等，设置总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层所占的比例均不小于10％，设置相同铺向角的连续铺层数不超过4层；
设置轮辋有限元模型中各单元铺层厚度的最大值和最小值；
设置优化结果相对于轮辋结构的中心轴周向对称；接着对组装式车轮进行自由尺寸优化，得到轮辋的变厚度区域以及各区域的铺层厚度。
(3)插层式变厚度铺层策略：
为保证铺层连续性，在步骤(1)确定的轮辋初始铺层厚度的基础上，参照步骤(2)确定的轮辋变厚度结果，在轮辋需要加厚的区域，采取插入差层的加层策略，在轮辋需要减薄的区域，采取减少共享层的策略，得到轮辋的变厚度铺层模型，
插入差层和减少共享层时，保证整个轮辋结构的铺层满足+45°和-45°铺层数相等，总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层所占的比例均不小于10％的约束，插入差层时遵循相邻变厚度区域的差层尽量不在同一层内，差层尽量靠近中面的准则。
(4)变厚度轮辋结构铺层厚度和角度的优化设计：在步骤(3)确定的轮辋初始变厚度铺层结构的基础上，优化变厚度区域的铺层厚度和铺层角度。
首先，将各区域的厚度作为设计变量，并设置各厚度变量的上下限值；
优化时，在各厚度区域，先插入新的差层，使得各厚度区域达到厚度设计变量的上限值，然后设置各插入新的差层的厚度取值在0和T之间，其中，T为单层铺层的厚度；
如果优化后某一插入的新的差层的厚度为0，则说明该插入层不存在，否则，说明该插入层存在，进而将厚度设计变量转换为插入层的取值变量；
在厚度变量优化的同时，将各铺层的铺层角度也作为优化设计变量，两者相互耦合；优化时，整个轮辋结构的各铺层的角度满足+45°和-45°铺层数相等，总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层所占的比例均不小于10％，相同铺向角的连续铺层数不超过4层的约束；
该轮优化的目标为轮辋结构的质量最小、抗疲劳和抗冲击性能最优；
在本发明中，作为一种优选，优化算法采用多目标遗传算法；
在另一实施例中，作为一种优选，优化算法采用多目标粒子群算法等算法。
在变厚度轮辋结构铺层厚度和角度的优化设计过程中，优化目标中，轮辋结构的抗疲劳和抗冲击性能最优，量化为3个指标：1)轮辋结构在弯曲和径向疲劳与13°和90°冲击工况下的结构失效指数最小，失效准则为Tsai-Wu，Hashin，Puck准则，以保证轮辋主体结构的抗疲劳和抗冲击能力最强；2)轮辋结构在弯曲和径向疲劳与13°和90°冲击工况下的连接失效指数最小，失效准则为Yamada-Sun准则，以保证轮辋与轮辐连接凸缘处的机械连接结构的抗疲劳和抗冲击能力最强；3)，轮辋结构在弯曲和径向疲劳与13度和90度冲击工况下的柔度最小，以保证轮辋结构的整体刚度最大。
在本发明中，作为一种优选，13°和90°冲击工况包括13°正对辐条冲击、13°正对气门嘴窗口冲击、90°正对窗口冲击、90°正对气门嘴窗口冲击共4个工况。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (10)

1.一种变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述轮辋结构为多层碳纤维丝铺设而成，包括：
外铺层块，其铺设在所述轮辋结构的外侧，为等厚度的多层结构；
上铺层块，其铺设在所述轮辋结构的内侧上部，为变厚度的差层结构；
下铺层块，其铺设在所述轮辋结构的内侧下部，为变厚度的差层结构；
填充铺层块，其铺设在所述外铺层块、所述上铺层块以及所述下铺层块之间，为等厚度的多层结构；
其中，所述上铺层块和所述下铺层块的一端向内延伸，形成环形的连接凸缘；
所述上铺层块的另一端向上延伸、所述下铺层块的另一端向下延伸后，与所述外铺层块一同形成辋环；
进行插层式变厚度铺层，并优化变厚度区域的铺层厚度和铺层角度，采用多目标遗传算法进行优化，优化的目标为轮辋结构的质量最小、抗疲劳和抗冲击性能最优。
2.根据权利要求1所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述外铺层块共十五层，总厚度为2.25mm，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧方向进行铺贴，所述各铺层的铺层角度依次为：
[45°/-45°/0°/90°/45°/0°/90°/90°/90°/0°/-45°/90°/45°/90°/0°]。
3.根据权利要求2所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述上铺层块共二十五层，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧方向进行铺贴，所述上铺层块包括依次连续设置的：第一上铺层域、第二上铺层域、第三上铺层域；
其中，
在所述第一上铺层域中，第六层、第十二层以及第二十层为差层，各差层的起始端均为所述上铺层块的另一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的递增值范围为：1.5～3mm，并且所述第二十层的终止端靠近所述第二上铺层域的一端；
在所述第三上铺层域中，第三层、第九层、第十四层、第十七层以及第二十三层为差层，各差层的起始端均为所述上铺层块的一端，所述各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的递减增值范围为：1.5～3mm，并且所述第二十三层的终止端靠近所述第二上铺层域的另一端；
在铺设每一层差层时，其下一层均采取搭接的铺层方式，并且搭接的角度小于tan(1/10)；
所述上铺层块中，除上述所述差层外，剩余铺层均为共享层，其均匀覆盖铺设在所述第一上铺层域、所述第二上铺层域以及所述第三上铺层域中，并在第二十五层外侧再铺设一层玻璃纤维层。
4.根据权利要求3所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述上铺层块各铺层的铺层角度由外向内依次为：
[45°/90°/-45°/0°/90°/-45°/45°/90°/90°/-45°/0°/0°/90°/45°/90°/90°/-45°/0°/45°/-45°/90°/0°/-45°/-45°/45°]。
5.根据权利要求4所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述下铺层块共三十六层，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧方向进行铺贴，包括依次连续设置的：第一下铺层域、第二下铺层域以及第三下铺层域；
其中，
在所述第一下铺层域中，第二层、第六层、第八层、第十一层、第十三层、第十六层、第十八层、第二十一层、第二十三层、第二十六层、第二十八层、第三十一层、第三十三层以及第三十五层均为差层，各差层的起始端均为所述下铺层块的一端，各差层的铺层长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增值范围为：1.5～3mm，并且所述第三十五层的终止端靠近所述第二下铺层域的一端；
在所述第三下铺层域中，第四层、第九层、第十四层、第十九层、第二十四层、第二十九层均为差层；各差层的起始端均为所述下铺层块的另一端，各差层的长度从外向内逐层递增，相邻两差层的长度递增值在1.5～3mm，所述第二十九层的终止端靠近所述第二下铺层域的另一端；
在铺设每一层差层时，其下一层均采取搭接的铺层方式，并且搭接的角度小于tan(1/10)；
所述下铺层块中，除上述差层外，剩余铺层均为共享层，均匀覆盖在所述第一下铺层域、所述第二下铺层域以及所述第三下铺层域中，并在第三十六层外侧再铺设一层玻璃纤维层。
6.根据权利要求5所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述下铺层块的各铺层之间的铺层角由外向内依次为：
[45°/90°/0°/-45°/90°/45°/90°/-45°/0°/45°/90°/-45°/0°/90°/45°/90°/-45°/90°/45°/0°/-45°/90°/45°/90°/-45°/0°/45°/-45°/90°/45°]。
7.根据权利要求6所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述填充铺层块包括十五层长度呈阶梯变化的铺层，各铺层沿所述轮辋结构的外侧向内侧进行铺贴，所述填充铺层块中各铺层的铺层角度依次为：
8.根据权利要求7所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，其特征在于，所述外铺层块的第一层和第二层分别与所述上铺层块的第二十五层和第二十四层采用同一块铺层铺贴，所述外铺层块的第一层和第二层分别与所述下铺层块的第三十六层和三十五层采用同一块铺层铺贴，所述上铺层块的第二十五层和第二十四层分别与所述下铺层块的第三十六层和第三十五层采用同一块铺层铺贴。
9.一种变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法，其特征在于，使用权利要求1所述的变厚度碳纤维复合材料轮辋结构，并包括：
设定所述碳纤维复合材料轮辋为等厚度结构，确定所述碳纤维复合材料轮辋结构的整体厚度；
基于疲劳和冲击工况对包含所述碳纤维复合材料轮辋结构的组装式车轮进行自由尺寸优化，得到变厚度区域和各区域的铺层厚度；
进行插层式变厚度铺层，并优化变厚度区域的铺层厚度和铺层角度，采用多目标遗传算法进行优化，优化的目标为轮辋结构的质量最小、抗疲劳和抗冲击性能最优。
10.根据权利要求9所述的变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的铺层设计方法，其特征在于，
所述整体厚度tc的确定公式为：
其中，ta为按照与所述变厚度的碳纤维材料轮辋结构同尺寸铸造的铝合金车轮轮辋的厚度，σsa为铝合金抗拉强度，σsc为碳纤维复合材料纵向拉伸强度；
进行插层式变厚度铺层时，在所述变厚度的碳纤维复合材料轮辋需要加厚的区域，采用插入差层的加层策略，在轮辋需要减薄的区域，采用减少共享层的减层策略，并且使整个所述变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的各铺层角度满足：+45°和-45°铺层数相等，总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层数所占的比例均不小于总铺层数的10％，同铺向角的连续铺层数不超过4层；
进行变厚度区域的铺层厚度和铺层角度优化时，使整个所述变厚度的碳纤维复合材料轮辋结构的各铺层的角度满足：+45°和-45°铺层数相等，总铺层数中+45°、-45°、0°和90°铺层所占的比例均不小于10％，相同铺向角的连续铺层数不超过4层。
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