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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
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