纤维增强复合材料汽车前防撞梁的设计与分析

为减轻车身重量,以某新能源车型前防撞梁为研究对象,分别采用单向碳纤维增强树脂基复合(Continuous Fiber Reinforced Polymeric, CFRP)材料和机织碳-玻混杂纤维增强树脂基复合(Carbon-Glass Fiber Reinforced Polymeric, C-GFRP)材料代替原铝合金(6082-T6)材料。基于三点静压工况,确定“凹”字形结构为新设计复合材料前防撞梁的截面形状。基于熵权TOPSIS法对C-GFRP复合材料前防撞梁进行多目标优化,结合正面低速碰撞仿真对比,确定了2种复合材料前防撞梁的最优铺层厚度和铺层角度,通过碰撞比吸能、最大侵入量和碰撞支反力峰值等性能参数对比,分析了2种复合材料前防撞梁各自的优势。     

碳纤维复合材料防撞梁的设计与分析

对某款乘用车的碳纤维复合材料防撞梁进行了研究。对碳纤维铺层进行了设计,通过有限元建模、施加边界条件与载荷,对碳纤维复合材料防撞梁的应力、变形与应力失效因数进行了分析,并对不同碳纤维铺层铺设角度进行了对比。通过设计与分析,使碳纤维复合材料防撞梁在满足要求的前提下,相比铝合金防撞梁质量减轻31.4%。     

碳纤维铝蜂窝复合材料汽车保险杠横梁轻量化设计

采用碳纤维铝蜂窝复合材料替代原铝合金材料,对汽车的保险杠横梁进行轻量化设计,并利用Abaqus CAE软件对比分析铝合金(6082-T6)、T300和T700碳纤维以及T300碳纤维铝蜂窝复合材料保险杠横梁的力学性能。利用碳纤维铝蜂窝复合材料结构方面的可设计性,探索碳纤维铝蜂窝复合材料面板的厚度、铝蜂窝的边长尺寸以及铝蜂窝的壁厚等结构参数对碳纤维铝蜂窝复合材料保险杠横梁性能的影响规律,通过调节结构参数获得最优性能的碳纤维铝蜂窝复合材料汽车保险杠横梁。结果显示,设计的H₄碳纤维铝蜂窝复合材料的保险杠横梁的抗冲击性能优于传统铝合金,并且能减重50%左右,满足使用要求且轻量化效果显著。     

基于碳纤维复合材料的机器人臂杆优化设计

为了提高机器人的负载自重比,采用碳纤维复合材料替换铝合金材料,对机器人臂杆进行优化设计.通过准各向同性铺层方式测试碳纤维复合材料机器人臂杆的性能,并与铝合金材料机器人臂杆进行对比,确定碳纤维复合材料机器人臂杆的铺层厚度.使用邻域培植遗传算法对铺层角度进行优化,根据铺层设计的经验性原则筛选得到最优解.通过对比确认,优化设计后机器人臂杆的质量减小39.6％,轻量化效果明显.     

铝合金保险杠防撞梁结构优化设计

本文简单介绍了钢质防撞梁性能研究策略,阐述了拓扑优化和Hyperstudy集成优化方式,针对设计出的铝合金保险杠防撞梁性能展开验证,结合本次研究,发表了一些自己的建议看法,希望可以对铝合金保险杠防撞梁结构优化设计起到一定的参考和帮助,提高铝合金保险杠防撞梁结构优化设计有效性,在保证防撞梁程度性能的同时减轻防撞梁的重量,更好的满足实际使用需要。     

CFRP汽车防撞梁结构/材料一体化优化设计

针对复合材料汽车防撞梁结构布局和层合板铺层优化问题,提出以防撞梁强度最大为目标,宏观结构与层合板铺层角为变量的结构/材料双尺度优化设计方法。结构层面采用B样条对防撞梁轮廓曲线进行参数化表达,并改变防撞梁截面关键尺寸,构建几何模型;材料层面考虑铺层角对层合板性能带来的影响,采用0°、±45°、90°四种标准铺层角进行铺设。通过自适应遗传算法对结构与材料两个层面的设计变量进行初始化,实现了适用于复合材料汽车防撞梁的结构/材料一体化优化设计。结果表明:防撞梁结构的强度较优化之前升幅为81.41%,且最大等效应力下降至64.885MPa,小于CFRP材料的极限强度,优化结果达到预期效果。     

碳纤维复合材料自行车车架轻量化设计

文中考虑到碳纤维增强复合材料轻质高强的特点,利用灰色关联分析方法对碳纤维增强复合材料自行车车架开展铺层优化设计。通过材料力学性能试验获得碳纤维增强复合材料力学性能参数,并建立碳纤维增强复合材料自行车车架有限元模型,结合正交试验设计与灰色关联分析法,综合考虑自行车车架的质量、模态频率、强度和刚度等性能指标,对碳纤维增强复合材料自行车车架进行铺层厚度和角度优化设计。优化后,与原钢质自行车车架相比,在满足性能要求的前提下,CFRP自行车车架减重78.85%,取得了较好的轻量化效果。     

基于正面碰撞前防撞梁的DOE轻量化设计

通过Hyper Mesh建立了汽车前防撞梁及吸能盒正面碰撞模型,以防撞梁及吸能盒的截面形状、截面尺寸、材料、厚度与吸能盒诱导槽位置作为设计变量,以加速度峰值、最大吸能和最大压溃量作为约束,以质量最小作为目标,通过Isight进行DOE实验设计和优化。结果表明,优化后前防撞梁与吸能盒总质量降低了39.2%,轻量化效果显著,碰撞性能明显提升。铝合金比强度、比刚度高,耐腐蚀性好,密度是钢的1/3,是汽车轻量化的重要材料,优化结果表明,调整壁厚和截面形状的铝合金防撞梁总成结构的吸能性能最好,比原钢质件提高约6.6%,同时减重49.38%。     

某轿车副车架轻量化

为满足副车架轻量化要求,同时保证副车架的动、静态性能,采用碳纤维材料替换原钢质材料的方式。对轿车原副车架进行静力分析及模态分析,在保证碳纤维车架动、静态性能的条件下,对碳纤维材料铺层角度及各层厚度进行优化,并将碳纤维车架与原车架静力分析结果进行对比。结果表明:碳纤维副车架模型的静、动态性能达到了设计要求,质量减轻了89.15%,轻量化效果明显。     

基于自适应遗传算法的碳纤维复合材料汽车防撞梁优化设计研究

目前汽车防撞梁主要采用高碳钢或者铝合金材料,但在设计强度与汽车轻量化方面,碳纤维复合材料(CFRP)有着明显的优势,所以对CFRP汽车防撞梁层合板的性能研究十分重要。将考虑层合板铺层的广义海明距离与遗传算法相结合,提出了能够以汽车防撞梁为模型的优化设计新方法。该算法采用自适应的思想,与传统遗传算法不同,每次重组算子保留最优个体,这有效避免了交叉、变异操作对最优解取值的干扰,解决遗传算法过早收敛的现象。     

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计.首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序.针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上.两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4％;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1％.     

汽车前防撞梁的耐撞性与轻量化优化设计

为改善汽车的耐撞性、提升汽车的轻量化程度,从结构改进的角度对汽车前防撞梁进行优化设计。建立汽车前防撞梁正面100%碰撞模型,以前防撞梁横梁和吸能盒厚度为设计变量,以碰撞力峰值作为约束条件,构建以前防撞梁总成吸能量最大化、质量最小化的多目标优化模型。采用哈默斯利法进行试验设计,通过拟合得到近似模型。近似模型与仿真值误差不高于5%。采用全局响应面法对多目标问题进行优化,得到Pareto最优解集。结果表明,优化后前防撞梁吸能量提高了15.8%,质量降低了6%,碰撞力峰值降低了20.3%,比吸能提高了23.1%。优化设计显著改善了汽车的耐撞性并提升了汽车的轻量化程度。     

基于LS-DYNA的7075铝合金汽车保险杠碰撞仿真分析

为了使汽车轻量化,将7075铝合金应用于汽车保险杠系统中。通过有限元软件LS-DYNA对不同厚度保险杠模型的低速对中碰撞进行仿真分析,选用2.5 mm厚加强板和2.0 mm厚齿状横梁,相比原钢质保险杠质量下降20.5%。最后对所选保险杠进行对中碰撞仿真分析。结果显示该保险杠不仅质轻,而且吸能充分,满足碰撞安全要求。     

铺层参数对碳纤维复合材料板的隔振性能影响研究

碳纤维复合材料铺层参数对其振动特性影响很大。以碳纤维复合材料板为研究对象,从理论上分析了碳纤维复合材料板在自由振动下的模态特性,并运用有限元模型分析了铺层参数(铺层角度,铺层厚度,铺层顺序)对碳纤维复合材料板隔振性能影响特点。结果表明,在单一铺层中,±45°的铺层隔振性能更好;铺层厚度对碳纤维复合材料板隔振性能影响不大;与循环铺层方式相比,对称铺层方式更有利于提升碳纤维复合材料板的隔振性能。     

碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计,首先,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度;然后,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后,钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了56.6%。     

复合材料无人机弓形起落架有限元仿真与优化

针对目前存在的问题及需求,根据某型号无人机总体要求,进行了复合材料起落架结构设计与有限元仿真。根据起落架的承载特点进行了复合材料弓形梁减震结构铺层初步设计。建立了起落架弓形梁有限元优化模型,对复合材料铺层厚度进行优化。优化目标为结构重量最小。结合有限元计算结果和实际制作工艺,确定了最终的铺层厚度。最终计算结果表明,优化后的结构满足强度刚度要求,结构重量减小27.2%,提高了材料使用效率。     

泡沫铝填充双帽保险杠横梁碰撞性能优化

为了轻量化碰撞性能优良的汽车保险杠,优化研究新型泡沫铝填充的钢铝双帽型保险杠横梁。分别以正面对中、正面偏置和斜向角度3种碰撞工况建立摆锤和保险杠横梁的有限元模型,以横梁的前帽厚度、后帽厚度、前帽屈服应力和泡沫铝密度为设计变量,根据碰撞工况确定设计变量的约束条件,进行了3种碰撞工况下以比吸能最大和侵入量最小的多目标优化。进一步考虑横梁碰撞发生的概率,并将其作为权重因子建立包含综合比吸能最大和综合侵入量最小的多目标优化模型。优化后的保险杠横梁综合比吸能提高了4.19%,综合侵入量减少了3.54%,提高了新型保险杠横梁的碰撞性能及鲁棒性。     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。     

复合材料蜂窝夹层结构翼梁优化设计

利用三明治夹芯板理论,对蜂窝夹层结构翼梁进行预先等效处理,把夹层板用当量层合板模拟,将蜂窝芯子看作一特殊单层,则复合材料蜂窝夹层梁模拟成了复合材料层合结构梁.以质量最轻为目标函数,以材料的设计许用应力和单元满足应变要求作为约束函数,利用MSC.NASTRAN对当量复合材料层合结构梁进行尺寸优化设计,得到最优蜂窝芯子厚度、各铺层角度的铺层厚度.按照层合板铺层设计一般原则得到合理的单层铺层角度以及铺层顺序.     

混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计

以某款汽车引擎盖为例,用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料,基于Opti Struct软件的复合材料优化技术,提出了多阶段联合优化设计的方法。在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。优化结果表明,原钢制汽车引擎盖质量为13.39 kg,在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下,经过多阶段联合优化设计后,复合材料汽车引擎盖质量为5.36 kg,质量减少了60%。