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扭转梁悬架碳纤维复合材料横梁结构优化
[摘要]鉴于碳纤维增强复合材料(CFRP)轻质高强的特点,本文中将某乘用
车扭转梁悬架原钢质横梁用碳纤维复合材料替代,并进行结构优化设计。首先,
通过碳纤维增强复合材料层合板力学性能试验获得材料力学参数,建立悬架扭转
梁有限元模型,并对扭转梁中的碳纤维复合材料横梁截面进行改进设计。在此基
础上,综合考虑横梁质量、刚度和工艺约束,对CFRP横梁进行铺层厚度、角度
和铺层顺序的多层次优化。优化后,在满足各项性能指标的情况下,碳纤维增强
复合材料横梁比原钢质横梁轻量79.34%,取得显著的轻量化效果。
关键词:扭转梁悬架;CFRP横梁;铺层优化;轻量化
前言
为满足节能与环保的要求,轻量化已成为汽车领域的研究热点。实现汽车轻
量化的技术途径主要包括结构轻量化设计、应用轻质材料和采用先进的制造工艺
___。在轻量化材料中,碳纤维增强复合材料(carbonfiberreinforcedplastic,
[1-4]
CFRP)因其良好的可设计性和优异的力学性能,尤其适合于电动汽车结构件,
是汽车轻量化技术的重点研究方向之一。
[5-7]
碳纤维增强复合材料具有密度低、比强度高、减振性好和抗疲劳能力强等诸
多优点,国内外学者针对碳纤维增强复合材料汽车结构的优化设计已开展了许多
研究工作。Hartmann等将碳纤维复合材料应用于电池箱结构,提高了电池箱
[8]
的性能。Liu等基于多种工况研究了碳纤维织物增强复合材料保险杠的结构优
[9]
化设计方法。Wu等研究了碳纤维增强复合材料车门的材料铺层优化设计方
[10]
法。程章等运用自由尺寸优化方法对汽车翼子板分区域进行了优化设计。肖志
[11]
等基于汽车顶盖雪压性能需求,对碳纤维复合材料顶盖展开了多层次铺层优化
[12]
设计。
扭转梁是汽车悬架的关键结构件,应用轻量化材料对其进行结构优化设计,
不仅可直接降低汽车能耗、提高动力性,还可提升汽车的操纵性和舒适性等整车
动力学性能。本文中以某乘用车悬架扭转梁作为研究对象,考虑到碳纤维增强复
合材料轻质高强的特点,将扭转梁悬架原钢质材料横梁用碳纤维增强复合材料替
代,并对CFRP横梁截面进行结构改进设计。在此基础上,以横梁质量最小为优
化目标,同时考虑刚度和制造工艺约束,通过自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺
序优化对CFRP横梁进行铺层优化设计,获得最优铺层方案,实现扭转梁悬架碳
纤维增强复合材料横梁的轻量化设计。
1碳纤维复合材料力学性能试验
1.1CFRP样件制备
为准确分析碳纤维复合材料构件的结构性能,对碳纤维增强复合材料层合板
进行单向拉伸和面内剪切试验,以获得碳纤维复合材料力学参数。选取T300斜
纹机织碳纤维布和E51环氧树脂,采用真空辅助成型工艺将8层碳纤维布制备
成厚度为1.92mm的CFRP层合板,并制作试样,如图1所示。
图1CFRP层合板制备及其样件
1.2力学性能试验
采用电子万能试验机进行碳纤维增强复合材料层合板单向拉伸和面内剪切
力学性能试验,其中单向拉伸试验参考标准ASTMD3039/D3039M—14,
[13]
面内剪切试验参考标准ASTMD3518/D3518M—13,拉伸速率
[14]
设置为2mm/min,试验过程如图2所示。根据试验结果计算得到数值模拟所
需碳纤维增强复合材料力学参数,如表1所示。
图2CFRP层合板力学性能试验
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