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汽车顶盖复合材料前横梁铺层多目标优化设计

夏天，刘莹，乔鑫

华晨汽车工程研究院，沈阳市110141

摘要：以自主品牌某型号汽车顶盖复合材料前横梁为研究对象，以整车模态频率、弯曲刚度、抗压性

能为优化目标，通过编程实现以复合材料铺层的工艺要求为约束条件，对碳纤维复合材料前横梁进行

多目标铺层优化，最终获得了Pareto优化解。在Pareto优化解中选择一组折衷的优化铺层方案，结果

显示，优化后的铺层方案性能优于初始设计方案。

关键词：碳纤维复合材料；多目标优化；铺层优化；邻域繁殖法；Pareto解；

前言

安全、节能、环保是汽车发展的主流方向。研究显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率

可提高6%-8%；其次轻量化可提升主动安全性能、提高加速性能、制动性能、操作性能以及乘坐

舒适性等性能（俞凌琳，2009）。碳纤维具有密度低、比强度高、耐冲击性能好、碰撞安全性高等

优点，对汽车轻量化具有积极的研究意义。

基于碳纤维复合材料在汽车领域的广阔前景，近年来许多学者开展了复合材料铺层优化方面

的研究。程章、朱平以翼子板刚度性能为目标，对翼子板的复合材料铺层方式进行了优化（程章，

2015）；童小伟、黄妙华研究了碳纤维复合材料保险杠碰撞性能的优化（童小伟，2017）；肖志、

杜庆勇等以复合材料汽车顶盖质量最小为目标，以抗雪压性能为约束，开展了顶盖的自由尺寸优

化、尺寸优化和层组优化（肖志，2017）；严君对汽车悬架摆臂进行了多阶段的优化，获得了摆臂

的复合材料铺层结构（严君，2012）；韩庆、王广博对机翼盒段复合材料夹心结构的蒙皮进行铺层

角度和铺层厚度的优化（韩庆，2013）；冯肖冰对大型风机的复合材料叶片进行了铺层优化（冯消

冰，2013）；朱胜利以刚度为约束，质量最小为目标，对复合材料机翼翼盒进行尺寸优化（朱胜利，

2012）；张建国等以碳纤维复合材料夹心结构的引擎盖为对象，研究了内外板的铺层顺序和铺层角

度对引擎盖性能的影响（张建国，2014）。

虽然对铺层优化方面的研究不少，但很少有关于复合材料铺层多目标优化方面的研究。汽车

性能研究涉及多个学科领域，如果单一研究某一学科或某一性能的优化，则忽略了整个系统内各

个学科的相互影响，这种设计方法只能获得局部最优解，可能失去系统最优解，而且设计周期长、

成本高。

本文以整车模态频率、刚度、抗压性能为优化目标，对汽车顶盖复合材料前横梁的铺层角度

及铺层顺序进行多目标优化，在满足整车性能的前提下，得到了复合材料横梁的最佳铺层结构。

1有限元模型

顶盖前横梁结构如图1所示（高亮显示的部件）。

图1.顶盖前横梁结构

考虑到顶盖前横梁的结构会对整车的性能产生影响，因此以整车为对象，研究复合材料铺层

结构对整车性能的影响。共考察整车的三种工况：自由模态、顶盖弯曲、顶盖抗压。

模态工况计算整车非自由模态，考察横梁铺层结构对整车模态的影响；顶盖弯曲工况在顶盖

前横梁位置施加0.1MPa的均布压力载荷，考察横梁铺层结构对顶盖刚度的影响；顶盖抗压工况沿

刚性板法向施加24181N的载荷，持续0.12s，考察横梁铺层结构对顶盖抗压性能的影响。各工况

模型如图2所示。

a）模态工况模型b）弯曲工况模型c）抗压工况模型

图2.整车有限元模型

由于整车结构空间对横梁的厚度有限制，本文仅对铺层角度及铺层顺序进行优化。顶盖横梁

初始铺层为8层：[0/90/45/-45]S，单层厚度为0.25mm，横梁厚度为2mm，如图3所示。碳纤维复

合材料力学性能如表1所示。

图3.顶盖前横梁初始铺层结构

表1.碳纤维复合材料力学性能

参数E1/GPaE2/GPaμ12G12/GPaG23/GPaG13/GPa

数值652.60.342.552.550.975

顶盖横梁初始铺层结构的整车结果：第一阶模态频率为41.51Hz；弯曲工况最大位移为

2.50mm；抗压工况加载点最大位移为37.99mm。如图4、图5所示。

图4.初始铺层整车第一阶模态与弯曲变形

图5.横梁初始铺层抗压工况加载点位移变化曲线

2变量选择

复合材料横梁共8层铺层，每层可以取0°、90°、45°、-45°四种角度，以横梁每一层铺层角度

为设计变量，共8个设计变量（记为?1、?2、?3、?4、?5、?6、?7、?8）。

由于碳纤维复合材料层合结构的工艺特殊性，在实际铺层结构中一般需要遵守一定的原则，

结合顶盖横梁的具体结构要求，在优化流程中，通过编程对横梁的优化过程实现如下约束：○14种

可选的单层铺层角度在复合材料横梁的铺层结构中，每种角度至少出现一次；○2相同角度的铺层

单层连续出现不能超过三次；○345°铺层单层的下一层必