轻质多材料重载AGV总成优化设计

自动导引车（Automated Guided Vehicle,AGV）在智能制造领域的高速发展过程中逐渐呈现大型化、重载化的趋势,关键承载部件的优化设计能够显著降低重载AGV的重量及运行时的能耗,直接降低制造及使用成本。使用碳纤维增强树脂基复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer,CFRP）作为轻质材料,针对80t级标准平台AGV关键承载部件从材料到结构进行总成优化设计。使用双向渐进结构法（Bi-directional Evolutionary Structural Optimization,BESO）拓扑优化车架及舵轮安装板,单元灵敏度过滤技术消除细小的分叉结构,得到了适合实际制造的优化结构。然后,制备了不同层数及编织方向的CFRP试样,进行拉伸及面内剪切实验,获得了CFRP的力学性能参数。随后优化了复合材料层合板的铺层角度,仿真结果表明,复合材料优化后的铺层角度为[-12/33/55/-68],使得多层材料面内最大Mises应力和位移分别降低了25.79%和9.95%。最后,针对车身进行有限元分析。研究结果表明：优化设计使重载AGV重量明显降低,新结构在未大幅提升最大应力与位移的前提下,总质量降低21.79%,其中舵轮安装板采用角度优化后的CFRP铺层组,质量仅为优化前的8.83%。模态分析表明,新结构的前六阶特征频率在核定工况范围内随着载荷增加呈减速下降的趋势,满载情况下在61.95~109.75Hz之间变化平稳。为实现重载AGV的低能耗、轻量化以及低成本制造提供一定的参考。     

碳纤维/聚酯纤维混杂环氧树脂复合材料制备及其性能研究

为了探究织物组织结构、铺层角度对复合材料力学性能的影响,采用真空辅助树脂传递模塑工艺,设计并制备不同织物组织结构（平纹和2/2↗斜纹布）和不同的铺层角度（0°、45°、90°）共计6种碳纤维/聚酯增强层合板和1种碳纤维增强层合板,对所有样品进行弯曲和摆锤冲击实验。实验结果表明,聚酯纤维的加入有效改善了复合材料的韧性;相比斜纹、平纹组织具有更多的交织点,表现出优异的能量吸收能力;铺层角度的不同导致材料在不同方向上两种纤维含量的不同,造成在特定方向上刚韧性表现不同。研究结果表明聚酯纤维的加入可以在降低材料成本的同时改善碳纤维复合材料的综合力学性能。     

复合材料铺层优化图形化过程中的几个关键技术

文章针对航空复合材料构件铺层设计优化过程,分析其存在的主要问题,指出应解决的铺层数据图形化智能化选取、铺层局部缺陷智能识别与修复、优化后铺层云化及轮廓生成等技术关键;给出这些技术关键的有效解决思路,提出设计并开发支持大型航空复合材料构件铺层优化设计与制造一体化和集成化的航空复合材料构件铺层优化智能支持图形软件系统,以改变复合材料构件铺层优化迭代过程中的数据准备方式,提高复合材料构件铺层优化设计与制造的效率。     

不同铺层角度下CFRP薄壁箱梁几何非线性特性试验分析

工程结构受到各种外界因素的影响,常出现几何非线性效应.在这种情况下,传统结构内力及挠度计算常被简化成线性,导致计算结果偏差较大,影响结构安全.复合材料纤维的走向在很大程度上影响结构的力学性能,通过试验的方法研究了不同纤维铺层角度时,碳纤维复合材料CFRP薄壁箱梁在几何非线性效应下的力-位移曲线的变化规律.结果表明,当宽跨比一定时,90°铺层的箱梁挠度最大,0°铺层对应最小,而且90°铺层的箱梁力-位移变化幅度显著,几何非线性特征明显.     

复合材料后掠机翼的气动弹性剪裁方法研究

提出了一种混合多级结构优化算法,以大展弦比复合材料后掠机翼为研究对象进行了气动弹性剪裁设计。在满足强度、变形约束等前提下,以梁、肋、蒙皮厚度,对结构重量进行最小化设计;继续以减重为目标,满足颤振速度的约束,优化蒙皮各铺层的比例,并分析了优化中铺层比例对颤振速度的影响;采用遗传算法优化蒙皮的铺层顺序,以增大机翼的颤振速度。研究表明:混合多级结构优化不仅可以减轻机翼的结构重量,还能大大提高机翼的颤振速度;铺层比例优化结果表明较高的±45°铺层比例能使刚度分布更加合理高效。     

复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能影响因素研究

基于复合材料层合板的结构特点及典型损伤和破坏模式,建立了基于ABAQUS有限元软件的复合材料层合板低速冲击模型.与实验数据对比结果表明,该模型可以准确地模拟复合材料层合板低速冲击损伤阻抗特性.采用该有限元模型,研究复合材料层合板的铺层材料面内性能和铺层角度等参数对其在低速冲击作用下损伤阻抗性能的影响规律.分析结果表明,提高铺层纤维方向拉伸模量可明显提升其抗冲击损伤能力,在复合材料层合板中增加±45°铺层数量能明显提升其抗分层能力,而提高其它方向弹性模量对复合材料层合板低速冲击损伤阻抗性能的影响不明显.     

考虑弯扭耦合效应的复合材料叶片铺层优化方法

在复合材料叶片设计中,可利用弯扭耦合效应进行铺层优化设计,通过减小叶片气动弹性外形的改变来提高叶片结构的效率。将复合材料叶片简化为对称非均衡悬臂层合板,基于经典层合板理论提出刚度权值和载荷系数2个分析参数。并采用试验和有限元模拟分析了弯扭耦合效应中分析参数对结构变形的影响。进一步以刚度权值的可行域为约束条件,叶片曲率最小为目标函数,对含有0°,90°和±45°铺层的对称层合板进行分析计算,得到关于载荷系数的刚度权值最优路径。并以16层对称层合板为例进行了验证计算。通过对刚度权值最优路径的逆向计算,能够快速得到满足设计条件的最优铺层顺序。该方法可为复合材料叶片的铺层优化设计提供一定的参考和依据。     

考虑混合不确定性的复合层合板基频优化设计

复合材料层合板中存在大量使用概率或者区间不确定性描述的结构与材料参数,这些不确定性的非线性叠加效应会使得复合材料层合板的基频也存在不确定性,成为影响复合结构性能的关键因素之一.因此,提出考虑混合不确定性的复合材料层合板基频优化设计方法,实现基频最大的层合板厚度和铺层顺序的同步优化.首先,建立了考虑概率与区间不确定性的层...     

纤维增强复合材料在汽车覆盖件中的应用

采用碳纤维和玻璃纤维两种增强材料与环氧树脂基体材料,对汽车发动机罩进行了铺层结构设计、样件制造和性能对比分析。研究表明:纤维增强发动机罩在满足刚度、模态要求的同时能有效减轻质量,实现发动机罩减重51.2%。在不同工况下,将发动机罩自由模态、横向弯曲刚度、扭转刚度的仿真结果与试验结果和原钢制件发动机罩性能进行了对比,验证了设计的有效性。对复合材料发动机罩铺层优化设计进行了研究,通过优化发动机罩质量相对于初始设计减重9.7%,充分发挥了纤维复合材料在汽车轻量化方面的优势。     

铺层角度对头盔壳体用碳/芳纶混杂纤维复合材料力学性能的影响

为了研究铺层角度对头盔壳体用碳/芳纶混杂纤维复合材料力学性能的影响,根据所测量的织物在头盔曲面上的最终取向,采用RTM工艺,设计制备了碳纤维织物单向取向为0°、5°、12°、32°、45°、75°、80°、85°的8种复合材料层板,研究铺层角度对其拉伸和弯曲性能的影响.结果表明:在0°铺层时试样的拉伸强度和模量达到最大...     

基于有限元模拟的碳纤维复合材料层合板拉伸失效机理分析

碳纤维增强树脂复合材料(CFRP)具有高比强度、良好的耐腐蚀性,在汽车轻量化研究中受到很大重视。设计了三种不同铺层方式的碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板(单向铺层([0°]₈),各向同性铺层([0₂/45₂/90₂/-45₂]_s),有取向铺层([0/45₂/90/-45₂/0₂]_s)),研究其拉伸破坏形式,并结合有限元模拟进行分析验证。结果表明,拉伸强度与模量主要取决于层合板中沿拉伸方向排列的纤维层数量占比,占比越高,拉伸强度与模量越大。不同角度铺层呈现不同破坏形式,断裂时0°层纤维与基体均发生破坏;±45°层与90°层断裂主要以基体开裂为主;层间结合较好的情况下,0°层和90°层会受到相邻±45°层的影响发生剪切破坏。有限元模拟结果与试验结果匹配度较高,为后续建立汽车零件级产品失效模式评估系统奠定了基础。     

纤维缠绕CFRP圆管强度特性研究

目的 研究用纤维的不同铺层方式缠绕的CFRP圆管拉伸与压缩强度的特性.方法 采用各向异性弹性力学的方法,结合复合材料层合理论,研究了纤维缠绕层合圆管的应力分析和变形分析方法,分析了由碳纤维复合材料(CFRP)构成的圆管的强度.并采用纤维缠绕成型工艺,设计了两种尺寸的CFRP圆管,铺层方式均为[(900/00)2]S,通过对CFRP圆管进行压缩和拉伸实验,着重研究CFRP圆管在这两种受力状态下直至破坏的应力-应变关系,极限强度以及材料宏观破坏模式.结果 铺层方式为[(900/00)2]S 的CFRP圆管抗拉极限强度和应变远大于其抗压极限强度和应变,但这两种状态下CFRP圆管的弹性模量大致相当,且破坏模式均为脆性破坏.结论 理论分析结果与试验结果进行比较,验证了理论分析结果是可靠的.     

STF-柔性复合材料的防弹性能研究

为了研究STF-柔性复合材料的防弹性能和冲击耗能模式,首先使用纯Kevlar织物和STF的分散体系按照一定的工艺复合制备成STF-柔性复合材料,然后采用万能材料试验机对其进行拉伸性能测试,并借助气控高速发射装置分别对不同SiO2固含量以及不同铺层角度的STF-柔性复合材料进行防弹性能测试,以单位面积吸收的能量来表征其防弹性能。结果表明:万能材料试验机低速作用时,纯Kevlar织物和STF-柔性复合材料断裂强力基本一致,说明STF的黏度不会剧烈增加而影响人们的活动;随着SiO2固含量由0增加到45%,单位面积吸收能量由78.8J·m2/kg增加到87.4J·m2/kg,说明STF-柔性复合材料的防弹效果变佳;铺层角度对防弹性能的影响由优到劣的顺序为45°、90°、0°。     

铺层设计对复合材料结构降噪特性的影响

铺层设计对复合材料结构降噪特性的影响朱明，戴全胜，甘忠复合材料结构降噪分析方法采用声学有限元法［１￣３］。与金属结构不同的是，复合材料结构可以通过调整材料的最佳铺向角（见算例１），调整刚度以调节符合频率区（见算例２）及阻尼水平，从而控制声辐射效率。对...     

空间机器人碳纤维机械臂动态设计的初步优化法

为适应空间机器人特殊的工作环境,本文依据优化设计理论,采用结构有限元分析方法,并与结构优化设计理论结合,对空间机器人碳纤维机械臂有限元数值分析的结果,进行结构优化分析和设计,获得了优化结构;随后,对碳钎维臂的不同铺层厚度以及同一厚度的纤维不同铺层角度的结构受力情况进行了详细的数值计算分析,得到较理想的机械臂的纤维铺层方法和铺层厚度。     

新材料与新工艺

汽车工业试用高科技纤维复合材料宝马公司率先开发和试验高强、轻量的碳纤维复合材料(CFRP)车体板和其它部件,所用碳纤维系Zoltek公司生产的大丝束产品,宝马公司今年将推出采用CFRP制造的系列汽车。     

基于模态缺陷的变刚度复合材料圆柱壳屈曲特性

研究了基于自动铺丝技术的变刚度复合材料圆柱壳的屈曲性能和缺陷敏感性。基于丝束剪切/重送技术,提出了可以精确模拟圆柱壳面内重叠/间隙区域的简便算法,使有限元模型更加贴近实际制造过程。开展了复合载荷作用下曲线纤维铺层方式对圆柱壳屈曲性能影响的研究,结合Kriging模型和遗传算法,对纤维角度沿环向和轴向线性变化的铺层设计方式进行了优化。最后,利用改进弧长法对不同模态缺陷条件下变刚度复合材料圆柱壳的缺陷敏感性进行了分析。结果表明:在轴压和均匀外压复合作用下,纤维角度沿轴向变化的铺层方式可以有效提高结构的屈曲性能。当带宽为25.4 mm、T₀=80、T₁=45时变刚度圆柱壳的屈曲性能最优,较基准构型和常刚度最优构型临界屈曲载荷分别提高了70.9%和34.5%。变刚度圆柱壳的抗缺陷敏感性较基准铺层方式和最优常刚度铺层方式得到了提升。因此,变刚度设计可以使复合载荷作用下的圆柱壳结构在提升结构抗屈曲性能的同时降低对几何缺陷的敏感性。     

LCM工艺增强材料横向渗透率测量研究

利用多孔介质横向渗透率测量装置测量了多种复合材料液体模塑成型(LCM)工艺常用增强材料的横向渗透率。结果表明:注射压力对横向渗透率影响不大,随着纤维含量的增加,横向渗透率明显降低,同时,增强材料的织物结构不同,横向的渗透率亦明显不同,2种不同结构增强材料叠合在一起的铺层结构的横向渗透率主要取决于渗透率较小增强材料的横向渗透率。将方格布按15°和30°角剪切后,横向渗透率随剪切角增加而降低。     

碳纤维增强树脂基复合材料的电阻-应变特性

对单向及正交碳纤维增强树脂基复合材料（CFRP）在静态拉伸及动态拉-拉载荷作用下的电阻-应变特性进行了研究。结果表明：正交及单向CFRP复合材料在静态拉伸载荷作用下，其电阻变化率随着应变增加表现为3个阶段：较为迅速增加的线性阶段、非线性平缓阶段和阶梯状迅速增加阶段，其实质反映了材料内部纤维在不断增加的应力作用下逐步伸长、变形和断裂的过程，因此可以在结构-智能结构中作为传感材料用于结构完整性的自诊断和自监测；在较小应力幅值（24％）的交变载荷作用下，2种材料的电阻变化率都表现出明显的电阻-应变特性和一定的可逆性．单向CFRP复合材料的电阻变化率较正交CFRP复合材料对应变更敏感。     

复合材料尖削结构同级优化方法研究及ISIGHT实现

现有复合材料优化方法在进行尖削结构优化时,设计变量多而且难以保证纤维的连续性,文章提出了一种基于尖削结构模型的复合材料的同级优化方法。通过引入了铺层组、铺层组厚度、铺层组铺层顺序和铺层组距离变量等参数,在不影响优化结果的同时能有效的减少设计变量个数,并保证纤维的连续性。文章借助商业软件ISIGHT实现了该同级优化方法,采用某层合板优化问题验证了该方法的有效性。