碳纤维增强复合材料（CFRP）结构与材料一体化设计研究

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1、学校代号10532学号S1502W0171分类号U463.密级公开工程硕士学位论文碳纤维增强复合材料(CFRP)结构与材料一体化设计研究学位申请人姓名洪佳莹培养单位机械与运载工程学院导师姓名及职称孙光永副研究员王建华高级工程师学科专业车辆工程研究方向碳纤维复合材料论文提交日期2018年4月23日学校代号：10532学号：S1502W0171密级：公开湖南大学工程硕士学位论文碳纤维增强复合材料(CFRP)结构与材料一体化设计研究学位申请人姓名：洪佳莹导师姓名及职称：孙光永副研究员王建华高级工程师培养单位：机械与运载工程学院专业名称：车辆工程论文提交日期：2018年4月23日论文答辩日

2、期：2018年5月20日答辩委员会主席：程军圣教授IntegratedDesignofStructureandMaterialofCarbonFiberReinforcedPlastics(CFRP)byHONGJiayingB.E.(HefeiUniversityofTechnology)2015AthesissubmittedinpartialsatisfactionoftherequirementsforthedegreeofMasterofEngineeringinVehicleEngineeringintheGraduateSchoolofHunanUniversityS

3、upervisorAssociateResearcherSUNGuangyongSeniorEngineerWANGJianhuaMay,2018学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书湖南大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同

4、意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密□，在年解密后适用本授权书。2、不保密□。(请在以上相应方框内打“√”)作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日I碳纤维增强复合材料（CFRP）结构与材料一体化设计研究摘要复合材料凭借其优异的力学物理性能，在汽车轻量化中发挥重要作用。传统复合材料正向设计往往关注构件的宏观结构优化，忽视复合材料本身的材料特性，无法充分发挥复合材料最大的材料潜能。现针对碳

5、纤维复合材料结构与材料一体化设计进行研究。碳纤维复合材料结构与材料一体化设计是同时考虑宏观结构与微观材料之间的相互影响和耦合，并发的设计结构和材料的概念。基于复合材料多个尺度（微观、介观及宏观），建立一体化设计的计算关系。本文利用双尺度渐进展开的均匀化法，求解各尺度等效弹性材料参数，将不同尺度（微观、介观和宏观）之间的材料弹性参数进行关联。结合有限元分析软件ABAQUS，建立有限元模型分析各尺度结构。而后应用多目标遗传算法（NSGA-II）,以弹性阶段内的宏观质量与刚度为目标，对微观纤维体积分数、介观几何尺寸与宏观铺层参数进行优化设计。选择汽车前翼子板为宏观构件进行一体化设计，分析

6、其静态力学工况，明确翼肩刚度、安装点刚度、外板刚度及一阶模态等性能要求。选择质量轻、外板刚度大为目标，其他刚度及一阶模态要求为约束。选用两种常见的车用碳纤维复合材料：单向纤维增强复合材料和平纹编织纤维增强复合材料。单向复合材料涉及到两个尺度：微观与宏观。分析微观胞元和宏观结构，选择微观体积分数和宏观铺层角度为设计变量，优化结果显示在满足力学性能要求下，相较于金属材料质量减轻61%且外板刚度有所提升，达到轻量化的目的。而编织复合材料包含三个尺度：微观、介观和宏观。分析各尺度结构，选择微观体积分数、介观纤维束宽度与厚度、宏观铺层角度为设计变量。优化结果较于金属材料减轻58%。设计结果表

7、明，两种方案均能达到轻量化目的，具体选择需要结合实际工况与要求考虑。关键词：碳纤维复合材料；多尺度；均匀化；多目标遗传算法（NSGA-II）；一体化设计；II工程硕士学位论文AbstractCompositematerialsplayanimportantroleinvehiclelightweightbytheirexcellentmechanicalandphysicalproperties.Thetraditionalforwarddesignofcomposi