基于复合材料的发动机罩设计及分析.pdf

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1、第52卷第10期V01．52No．10农业装备与车辆工程AGRICULTURALEQUIPMENT&VEHICLEENGINEERING2014年10月0ctober2014doi：10．3969／j．issn．1673—3142．2014．10．015基于复合材料的发动机罩设计及分析李新伟1，王慧怡1，于多年2，韩鹏2(1．130013吉林省长春市长春汽车工业高等专科学校；2．130025吉林省长春市吉林大学汽车动态模拟国家重点实验室)[摘要]对碳纤维复合材料及结构优化设计方法进行了简单论述，重点应用结构优化方法，主要是尺寸优化和拓扑优化对碳纤维发动机罩进行了优化设计，

2、并对原钢制发动机罩、优化前后的发动机罩进行了性能分析，验证了优化方案的可行性和优越性。[关键词]碳纤维；复合材料；结构优化；有限元分析[中图分类号]U463．833[文献标志码]A[文章编号]1673—3142(2014)10—0064—040引言随着汽车工业的高速发展和产销规模的剧增，催生了一系列与汽车相关的能源、环境等社会性问题。如何在汽车的设计、制造、使用及回收各个环节中实现环境、社会、能源、经济的协调发展成为关注重点。经过多年的研究和探索，各种新型复合材料得到了不同程度的应用，同时也伴随出现了与之相匹配的各种新工艺和新技术。其中，碳纤维复合材料得益于高强度及低密度

3、的优势，在各个行业，特别是航天和汽车工业中得到了广泛应用。在这个背景下，本文就碳纤维增强复合材料在车身中的应用进行了系统研究。1研究背景碳纤维(CF)是纤维状的碳素材料，通过结合其他的材料，可作为特种工程材料使用。碳纤维增强环氧树脂复合材料具有相当好的比模量以及比强度，特别是在刚度、强度、疲劳特陛以及重量方面具有显著优势。当前，碳纤维材料在汽车上的应用已收稿日期：2014—07—13修回日期：2014—07—21经相当普遍，在车身方面应用较多，在一些小批量、商陛能车上进行了较大程度的应用[9(见图1，图2)。图1基于碳纤维材料打造的车身系统Fig．1Bodysystems

4、basedoncarbonfibermaterials图2兰博基尼新LP700碳纤维车身Fig．2ThenewLamborghiniLP700carbonfiberbody=

5、彗球一一一～一一她嘶．曼如_重㈨№唧一留一一一一一一一№陆瑚‰陆．蚕{

6、．耋一面一一一一一一一一一一豳嫡_室一咖妇岫～毗胁一一一～一一一一一一一一．一～一一一一～一嘶．Ⅱ叫．蚕毗汕一嶝咖抵触Dm踊印咄M。Ⅵ18以m㈣一耐_至．量呲一L一．一～一一一一一第52卷第10期李新伟等：基于复合材料的发动机罩设计及分析65另外，汽车的其他总成也有碳纤维材料的应用，例如碳纤维增强镁活塞、传动轴、制动摩擦片、储存

7、罐以及碳纤维轮胎等。在改装车方面也应用了很多的碳纤维材料，如发动机罩、车门、保险杠以及扰流板等。优化设计是一种基于数学计算的从多种方案中确定最佳方案的方法，主要是基于最优化理论来实施。通过计算机技术的应用，在确定各种约束的前提下，通过不断的调整设计变量，来获得最理想的设计方案。基于优化设计中不同的数值计算方法的特点，对于结构优化设计而言，有着不同的类型，相应也就有着不同的设计方法[2]。基于工程设计和开发阶段的角度的不同．一般将结构优化设计分为以下三种类型：拓扑优化、形貌优化及尺寸优化。一般在产品设计的前期，也就是概念性阶段应用拓扑优化，而形状优化以及尺寸优化一般在产品开

8、发的基本设计阶段和详细设计阶段实施。具体流程如图3所示[51。◇圆遵基结构——，有限元模型—争拓扑荦澡—，设计实例图3发动机罩内板拓扑优化示例Fig．3Hoodinnerpaneltopologyoptimizationexamples形状优化主要是以特定的设计要求为基础．确定最佳边界或内部几何形状的一种优化方法。不同于拓扑优化的是，在形状优化中，没有对结构的材料进行增加和删除，没有改变结构的初始拓扑结构，只是对结构内部的形状进行调整。在尺寸优化中，其设计变量是结构的尺寸参数，其主要的优化目的是改善结构性能或者减轻结构质量，以求得最佳的尺寸组合。尺寸优化的对象主要是杆件的

9、界面的面积、板件的厚度、惯性矩或者复合材料的分层厚度等[3]。基于结构优化理论，在应用复合材料时，针对复合材料的结构特性，选择相应的优化方法，对复合材料的结构进行优化设计来获得理想的设计方案，在理论上具有一定的可行胜。基于此．本文以汽车车身的发动机罩总成为优化对象，在复合材料和结构优化的协同应用方面，进行相关的研究。2优化设计过程本文所进行优化的发动机罩为一体式结构，也就是取消单独的内板，采用夹层结构方案，其中间夹层使用的是PVC泡沫，上下板使用的是碳纤维增强复合材料(CFRP)。夹层板的外表面则需与整车造型保持一致，也就是要