汽車動力總成GFRP懸置支架的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計和耦合仿真分析.pdf

1、隨著空氣污染和能源消耗的日趨嚴(yán)重，提升燃油經(jīng)濟性、使汽車輕量化成為了未來汽車工業(yè)發(fā)展的趨勢，而樹脂基玻璃纖維增強型材料GFRP（Glass Fiber Reinforced Plastic）因為其良好的力學(xué)、物理學(xué)性能，是理想的汽車用輕量化材料。由于GFRP材料的力學(xué)性與其材料內(nèi)部纖維分布高度相關(guān)，使用該型材料進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計十分困難，傳統(tǒng)設(shè)計方法只能根據(jù)經(jīng)驗給出許用強度范圍進(jìn)行設(shè)計，不能充分的利用材料的性能，更無法考慮纖維各向異性所帶來的

2、應(yīng)力和變形的不對稱性。本課題組針對GFRP材料應(yīng)用問題進(jìn)行研究，探索出了一套適用于GFRP材料并考慮了材料纖維取向分布的結(jié)構(gòu)設(shè)計技術(shù)流程，對于實現(xiàn)GFRP在承力結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用具有積極意義。本文結(jié)合華晨金杯智尚S30的動力總成GFRP后懸置復(fù)合材料支架開發(fā)項目，結(jié)合CAE技術(shù)，對GFRP材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行了深入研究，主要研究工作如下：
　　1．根據(jù)動力總成懸置工作原理，結(jié)合通用GMW14116設(shè)計規(guī)范，計算出了后置鋼制懸置支架的28工

3、況載荷。
　　2．為了比較GFRP懸置支架與傳統(tǒng)鋼制懸置支架的性能，對鋼制懸置支架進(jìn)行了28工況有限元靜強度分析，并與供應(yīng)商測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了比較，驗證了有限元模型的準(zhǔn)確性。分析結(jié)果表明：傳統(tǒng)鋼制懸置支架性能有待提升，具有替換材料輕量化設(shè)計的意義和必要性。
　　3．基于拓?fù)鋬?yōu)化理論，使用有限元方法，以最大剛度為目標(biāo)函數(shù)，使用變密度材料插值模型，求解出了GFRP懸置支架在28工況下的最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以最優(yōu)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為指導(dǎo)，完成了GFR

4、P懸置支架的具體結(jié)構(gòu)設(shè)計及大致工藝方案，并利用拔模仿真分析方法驗證了該設(shè)計方案的可制造性。本設(shè)計方案相對于傳統(tǒng)鋼制懸置支架重量減輕了70.48％，且一階模態(tài)不低于450HZ。
　　4．由于注塑工藝參數(shù)的選取是直接影響注塑件結(jié)構(gòu)內(nèi)纖維分布及其性能的重要因素。故此，本文基于熔體流動填充理論，使用有限邊界法，對本設(shè)計方案的GFRP懸置支架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了模流分析仿真，確定了兩種澆口方案；運用纖維取向張量理論，確定了相應(yīng)方案下的纖維填充取向張量

5、分布。
　　5．基于Shelby夾雜理論和Mean Field均勻化方法，對GFRP懸置支架材料屬性進(jìn)行了分析，預(yù)測了其力學(xué)本構(gòu)模型。并采用本課題組提出的材料力學(xué)本構(gòu)模型與模流分析相結(jié)合的方法對GFRP懸置支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)耦合分析，完成了GFRP取向張量在同型異構(gòu)網(wǎng)格之間的映射。并以此為基礎(chǔ)，結(jié)合上述兩種澆口設(shè)計方案，對GFRP懸置支架也進(jìn)行了耦合結(jié)構(gòu)分析。結(jié)果表明：采用纖維填充更均勻?qū)ΨQ的雙澆口方案的GFRP懸置支架不僅可滿足實際