碳纤维复合材料汽车顶盖优化设计

碳纤维复合材料汽车顶盖优化设计

郭永奇，何庆时，邹锐，朱泓儒

（营口理工学院机械与动力工程学院，辽宁营口115014)

摘要：本文以某汽车顶盖为例，基于抗雪压性能要求，对碳纤维复合材料汽车顶盖进行了三阶段铺层优化设计。首先，分析了钢结构汽车顶盖的抗雪压性能，为后续汽车顶盖优化提供约束参考。其次，对碳纤维复合材料汽车顶盖进行了自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。最后，将优化后的碳纤维复合材料汽车顶盖与钢结构顶盖相比较，减重62.5%，雪载工况下未出现屈曲现象，满足设计需求。

关键词：汽车顶盖；抗雪压；碳纤维复合材料；优化；屈曲

汽车轻量化技术是节能减排的必然需求，也是汽车产业可持续发展的必经之路。汽车顶盖作为车身系统的重要组成部分，其对于车身轻量化发展具有重要研究意义。

碳纤维复合材料具有各向异性的力学性能，这与其材料的组成及铺层方式有着密切的关系。在碳纤维复合材料汽车顶盖方面，国内外学者进行了大量的研究工作。Reichwein H G等对碳纤维复合材料汽车顶盖的生产制造工艺进行了研究[1]。Bambach M R提出了将碳纤维粘在钢结构表面的新方式来提高汽车顶盖强度[2]。肖志等对连续碳纤维复合材料汽车顶盖进行了多层次铺层优化设计[3]。廖勇基于Optistruct对碳纤维复合材料车身顶盖进行了结构优化[4]。

本文基于某汽车顶盖抗雪压性能需求，采用自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化相结合的方法对碳纤维复合材料汽车顶盖进行了优化设计，在保证性能目标的同时，大大减轻了顶盖重量。

1 钢结构汽车顶盖抗雪压分析

当车身顶盖受到雪压载荷时，起初发生线弹性变形，随着载荷的不断增加会发生非线性屈曲变形。为了使顶盖在一定雪压载荷范围内不发生屈曲变形，在设计顶盖时需要考虑其结构稳定性。

车身顶盖在受到雪压时，会满足如下关系：

             （1）

            （2）

其中，，则式（2）可表示为：

            （3）

式中：为雪载压力；为均布载荷；为顶盖承载面积；为雪载体积；为重力加速度；为顶盖雪载厚度；为雪的密度，。

建立车身顶盖有限元模型，约束边界的6个自由度，在车身顶盖表面施加均布载荷，大小为1.3244kPa。考察一阶屈曲特征值，如果该值大于1，说明车身顶盖承载雪的厚度大于等于900mm。

根据钢结构顶盖屈曲分析可知，变形主要位于车身顶盖前部，其一阶屈曲特征值为0.628，小于1，说明其承载能力不满足设计要求。

2 CFRP汽车顶盖优化设计

2.1 自由尺寸优化

本文采用T300/环氧树脂复合材料，在自由尺寸优化过程中，将不同铺设角度视为不同的超级层，每一铺设角度对应的超级层厚度可连续变化。其中超级层设为0°、90°、±45°四种角度，每一铺设角度的超级层均由4个层组叠加。此外，还需要设置制造约束，比如每一铺设角度在总厚度中的百分比、层压板的总厚度等[5]。设定每一铺设角度的超级层初始厚度为1mm，自由尺寸优化问题描述如下：

变量：顶盖每个单元的超级层厚度。

目标：顶盖雪载工况应变能最小。

约束：体积分数≤30%；45°和-45°铺层形状和厚度保持一致；可制造的每一铺层厚度为0.1mm；铺设角度为0°的超级层所占比例不超过80%。

2.2 层组尺寸优化

通过自由尺寸优化可以得到每一铺设角度超级层的连续厚度分布。每一铺设角度由4个层组组成，每一层组表示同一铺设角度、不同铺设位置和形状。层组尺寸优化是以每一层组的厚度为设计变量，以质量最小化为目标，以顶盖雪载工况下各单元节点位移小于5mm为约束。

经迭代计算，尺寸优化后的顶盖总铺层数为19层，其中0°铺层有6层，±45°铺层有4层，90°有铺层5层。

2.3 层叠次序优化

本阶段以19层的铺层顺序作为设计变量，以顶盖质量最小作为目标，以一阶屈曲特征值大于1.2为约束。设置同一铺设角度连续铺层厚度不能超过4层，45°和-45°铺层对反向排列。最终优化后的顶盖层叠次序为[±45°/0°/90°/0°±45°/90°/0°/90°/±45°/0°/90°/0°±45°/90°/0°]。

2.4 优化结果分析

经过三阶段优化设计，得到的CFRP车身顶盖铺层数目为19层，每层厚度为0.1mm。优化后的顶盖雪载静力学分析结果如图1所示，可以得知最大变形量为3.608mm。优化后车身顶盖的一阶屈曲特征值为1.69，大于1，说明满足载雪厚度大于900mm的要求。

图1优化后顶盖雪载静力分析位移云图

优化后的碳纤维复合材料汽车顶盖与原钢结构汽车顶盖相比，抗雪压能力明显提高，重量由最初钢结构的7.316kg降低到2.743kg，减重62.5%，轻量化效果明显。

3 结论

通过对钢结构汽车顶盖抗雪压分析来获得碳纤维复合材料优化的约束设置，并通过自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化来完成CFRP汽车顶盖优化设计。在优化过程中考虑了制造工艺和刚度两方面要求，为CFRP汽车顶盖开发提供了设计思路。优化后的汽车顶盖与钢结构汽车顶盖相比，抗雪载能力明显提高，减重62.5%，对于汽车结构轻量化的工程应用具有一定的指导作用。

参考文献

[1]REICHWEIN H G, LANGEMEIER P, HASSON T, et al. Light, strong and economical epoxy fiber reinforced structures for automotive mass production [C]. Detroit, 2010:1-20.

[2]Bambach M R. Fibre composite strengthening of thin steel passenger vehicle roof structures [J]. Thin-Walled Structures, 2014, 74(1):1-11.

[3]肖志, 杜庆勇, 莫富灏, 等. 连续碳纤维增强复合材料汽车顶盖铺层优化[J]. 汽车工程, 2017, 39(6):722-728.

[4]廖勇. 基于OptiStruct碳纤维复合材料顶盖结构优化设计的研究[J]. 机电产品开发与创新, 2016, 29(1):26-28.

[5]柴红普. 复合材料层压板典型结构优化设计研究[D]. 上海:上海交通大学, 2011.

注：本论文课题来源为：2021年营口理工学院校级科研项目（一般项目编号：YBL202122）