基于OptiStruct碳纖維復合材料薄壁結構優(yōu)化設計研究.pdf

1、輕量化是未來汽車發(fā)展的主要方向，碳纖維復合材料是最具潛力的輕量化材料。近幾年來，復合材料越來越多的被應用在汽車零部件結構的設計中。復合材料在汽車零部件結構設計中的應用已經(jīng)形成了由覆蓋件到承力構件、薄壁結構件到實體構件的發(fā)展趨勢。而基于鋪層的長纖維復合材料目前還主要應用在薄壁結構件的設計中。本文主要采用這種基于鋪層的長碳纖維復合材料，針對汽車上的殼體構件以及薄壁形式的承載構件進行復合材料結構的輕量化設計研究?；阡亴拥拈L碳纖維復合材料的殼

2、體結構件和承載結構件在輕量化設計中要解決的主要問題為復合材料結構的幾何形狀設計、復合材料的最佳鋪層角度設計、鋪層厚度設計以及鋪層順序設計問題。為了解決上述問題，本文以復合材料層合板力學結合有限元數(shù)值分析和結構優(yōu)化設計作為研究的理論基礎，以商業(yè)應用軟件OptiStruct作為研究工具，以承受典型均布載荷的薄壁包裝箱和多工況集中載荷的汽車懸架擺臂作為碳纖維復合材料結構設計研究的對象，針對上述問題提出了多階段的優(yōu)化設計方法。碳纖維復合材料特種

3、包裝箱的多階段優(yōu)化設計方法主要包括形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層優(yōu)化。結合包裝箱結構設計的技術指標要求，在箱體的概念設計階段，通過形貌優(yōu)化獲得了滿足箱體剛度的加筋結構；針對基于鋪層的碳纖維復合材料的可設計性能，在箱體的細節(jié)設計階段，通過尺寸優(yōu)化和鋪層優(yōu)化分別獲得了復合材料各個鋪層角度的最佳鋪層厚度尺寸和復合材料箱體的最佳鋪層方式。最終，通過有限元數(shù)值分析驗算，箱體的結構設計結果滿足設計要求；碳纖維復合材料汽車懸架擺臂的多階段優(yōu)化設計方法主要包

4、括拓撲優(yōu)化、鋪層角度優(yōu)化和鋪層厚度優(yōu)化。碳纖維復合材料汽車懸架擺臂結構的優(yōu)化設計在拓撲優(yōu)化后獲得的懸架擺臂結構的基礎上，研究了該結構最優(yōu)的鋪層角度參數(shù)和最佳的鋪層厚度參數(shù)。通過研究表明，結構優(yōu)化技術能夠獲得可用的復合材料幾何結構；復合材料的鋪層角度一般選擇0°、土45°和90°；復合材料結構在總的鋪層厚度一定的情況下，隨著單層的鋪層厚度值的減小，結構的剛度會增大；一般在采用對稱鋪層的鋪層順序下，結構的剛度最大；與原始結構相比，采用碳纖維