本文關(guān)鍵詞：纖維增強型復合材料保險杠輕量化設(shè)計與優(yōu)化

  更多相關(guān)文章： 保險杠 LGFT CFRP 輕量化 耐撞性 鋪層優(yōu)化 變厚度

【摘要】：隨著汽車環(huán)境污染和資源問題日益嚴重,汽車輕量化逐漸成為一個越來越熱門的研究領(lǐng)域。輕量化材料是實現(xiàn)汽車輕量化的重要途徑之一,其中纖維增強型復合材料作為新興的輕量化材料,由于其良好的力學性能和巨大的輕量化潛力受到了廣泛的青睞。本文基于我國GB17354-1998汽車前、后端保護裝置標準,將長玻璃纖維增強聚丙烯復合材料(LGFT)和連續(xù)碳纖維增強環(huán)氧樹脂基復合材料(CFRP)兩種復合材料應(yīng)用到汽車保險杠防撞梁上進行了如下研究:首先,開展了LGFT和CFRP材料試件的制備及相關(guān)力學性能測試。按照國標進行了拉伸和三點彎試驗,得到了材料的拉伸強度、楊氏模量和斷裂應(yīng)變等參數(shù),并基于試驗與反求分析獲取有限元仿真分析相關(guān)參數(shù)。其次,以某車型鋁制保險杠防撞梁為原型,采用LGFT及CFRP復合材料進行剛度等代設(shè)計,并按照法規(guī)要求建立了防撞梁低速碰撞模型。根據(jù)仿真結(jié)果綜合分析了復合材料保險杠防撞梁在兩種工況下相對于鋁制防撞梁的耐撞性和輕量化性能,同時對比了三種材料的輕量化成本。結(jié)果表明:在滿足耐撞性能要求下,LGFT與CFRP防撞梁輕量化效果明顯,相對于原鋁制保險杠防撞梁分別減輕11.2%和46.1%;材料成本方面LGFT成本有所降低,CFRP成本顯著增加。再次,分析了CFRP復合材料層合板的吸能特性,采用遺傳算法對CFRP保險杠防撞梁進行鋪層角度優(yōu)化,以最小碰撞峰值力為目標,以碰撞器侵入量為約束建立了鋪層角度優(yōu)化模型,優(yōu)化后的保險杠防撞梁的最佳鋪層為[0/-45/90/45/45/90/-45/0]。對鋪層角度優(yōu)化前后的保險杠防撞梁的有限元仿真結(jié)果進行了對比,鋪層角度優(yōu)化后的CFRP保險杠防撞梁的峰值力明顯降低。最后,根據(jù)防撞梁在兩種工況下的變形和受力特點并利用LGFT材料便利的制造工藝性,采用了一種連續(xù)變截面厚度設(shè)計方法。將防撞梁厚度值作為設(shè)計變量,通過采集試驗點構(gòu)建關(guān)于碰撞峰值力、防撞梁質(zhì)量的響應(yīng)面模型,并利用自動優(yōu)化專家算法對代理模型進行優(yōu)化求解。結(jié)果表明:優(yōu)化所得結(jié)果參數(shù)響應(yīng)值與模型仿真值的誤差在10%以內(nèi)。變厚度設(shè)計能夠使防撞梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量分布更為合理,優(yōu)化后的連續(xù)變截面厚度防撞梁能更好的兼顧輕量化與耐撞性能。本文所做的研究,對于汽車防撞梁輕量化效果和低速碰撞性能的提升具有明顯作用,同時對纖維增強型復合材料在汽車上的應(yīng)用具有一定的借鑒意義。
【關(guān)鍵詞】：保險杠 LGFT CFRP 輕量化 耐撞性 鋪層優(yōu)化 變厚度
【學位授予單位】：湖南大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U463.326
【目錄】：

• 摘要5-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-21
• 1.1 課題研究的背景和意義11-13
• 1.2 汽車輕量化實施途徑13-15
• 1.3 國內(nèi)外相關(guān)研究現(xiàn)狀15-18
• 1.3.1 國內(nèi)外復合材料汽車保險杠研究現(xiàn)狀15-16
• 1.3.2 國內(nèi)外汽車保險杠低速碰撞研究現(xiàn)狀16-18
• 1.4 國內(nèi)外保險杠低速碰撞法規(guī)18-19
• 1.5 本文主要研究內(nèi)容19-21
• 第2章 復合材料力學基礎(chǔ)及有限元優(yōu)化方法21-27
• 2.1 復合材料強度準則21-23
• 2.1.1 最大應(yīng)力與最大應(yīng)變準則21-22
• 2.1.2 Hashin失效準則22-23
• 2.1.3 Chang-Chang失效準則23
• 2.2 有限元方法簡介23-25
• 2.3 優(yōu)化算法理論簡介25-26
• 2.3.1 遺傳算法25
• 2.3.2 自動優(yōu)化專家算法簡介25-26
• 2.3.3 響應(yīng)面模型簡介26
• 2.4 本章小結(jié)26-27
• 第3章 復合材料力學性能試驗及參數(shù)仿真27-38
• 3.1 復合材料試驗標準27-29
• 3.2 LGFT材料性能試驗29-32
• 3.2.1 拉伸試驗30-31
• 3.2.2 拉伸試驗仿真對標31-32
• 3.3 CFRP材料基本力學性能試驗32-37
• 3.3.1 拉伸試驗32-34
• 3.3.2 彎曲試驗34-35
• 3.3.3 試驗仿真對標35-37
• 3.4 本章小結(jié)37-38
• 第4章 復合材料保險杠設(shè)計對比分析38-50
• 4.1 保險杠防撞梁復合材料替換38-39
• 4.2 保險杠防撞梁剛度等代設(shè)計39-40
• 4.3 汽車保險杠有限元模型的建立40-44
• 4.3.1 單元大小及類型選擇41
• 4.3.2 連接方式41-42
• 4.3.3 接觸方式42-43
• 4.3.4 鋪層有限元建模43-44
• 4.4 復合材料保險杠低速碰撞仿真分析44-48
• 4.4.1 低速碰撞有限元模型的建立44-46
• 4.4.2 碰撞仿真結(jié)果對比分析46-48
• 4.5 保險杠防撞梁材料成本對比48-49
• 4.6 本章小結(jié)49-50
• 第5章 CFRP復合材料保險杠鋪層優(yōu)化設(shè)計50-58
• 5.1 復合材料鋪層設(shè)計50-51
• 5.1.1 復合材料吸能影響因素50-51
• 5.1.2 復合材料鋪層設(shè)計一般原則51
• 5.2 遺傳算法優(yōu)化基本流程及參數(shù)設(shè)計51-53
• 5.3 遺傳算子的分析與設(shè)計53-54
• 5.4 CFRP保險杠鋪層角度優(yōu)化設(shè)計54-57
• 5.5 本章小結(jié)57-58
• 第6章 LGFT復合材料保險杠優(yōu)化設(shè)計58-69
• 6.1 變厚度保險杠防撞梁設(shè)計研究58-62
• 6.1.1 截面厚度對防撞梁性能的影響58-60
• 6.1.2 變厚度防撞梁設(shè)計的提出60-61
• 6.1.3 變厚度防撞梁設(shè)計方案61-62
• 6.2 變厚度有限元單元模擬62
• 6.3 變厚度防撞梁參數(shù)化建模62-63
• 6.4 變厚度防撞梁厚度參數(shù)優(yōu)化63-67
• 6.4.1 多目標優(yōu)化定義和數(shù)學模型的構(gòu)建63-64
• 6.4.2 拉丁超立方試驗設(shè)計64-65
• 6.4.3 變厚度參數(shù)優(yōu)化設(shè)計65-66
• 6.4.4 優(yōu)化結(jié)果驗證及分析66-67
• 6.5 變厚度防撞梁輕量化效果67-68
• 6.6 本章小結(jié)68-69
• 總結(jié)和展望69-72
• 參考文獻72-76
• 致謝76

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