復(fù)合材料發(fā)動機(jī)罩的剛度優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、發(fā)動機(jī)罩是車身外覆蓋件中的重要部件。其外部造型設(shè)計主要考慮整車造型和空氣動力學(xué)要求。作為外覆蓋件,發(fā)動機(jī)罩不承載載荷,發(fā)動機(jī)罩的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要有剛度和輕量化要求,如今又增加了行人碰撞保護(hù)要求。
　　夾芯結(jié)構(gòu)在其它構(gòu)件,尤其是在保險杠的應(yīng)用中,已經(jīng)顯示出了同時兼顧剛度和輕量化及碰撞吸能要求的能力。夾芯板結(jié)構(gòu)是典型的輕質(zhì)高剛結(jié)構(gòu)。作為夾芯板面板的碳纖維復(fù)合材料,相較其它常見材料,剛度更高密度更低,可以在保證剛度的同時,進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)輕量化。

2、夾芯板中的夾芯在碰撞時可以吸能,以彌補(bǔ)輕量化后發(fā)動機(jī)罩動能轉(zhuǎn)化不足。因此碳纖維夾芯板結(jié)構(gòu)是一種在同時滿足剛度、輕量化和行人碰撞保護(hù)方面非常有潛力的新型發(fā)動機(jī)罩結(jié)構(gòu)。本文研究這種結(jié)構(gòu)的性質(zhì),以鋼制傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)動機(jī)罩為對比,對剛度和質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化。
　　對發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行優(yōu)化,首先應(yīng)確定發(fā)動機(jī)罩的評價體系,然后才可以選取一些評價指標(biāo)作為優(yōu)化目標(biāo)和約束。當(dāng)前對發(fā)動機(jī)罩靜剛度的評價方法種類較多,因此需要對這些方法進(jìn)行分析篩選和總結(jié)。當(dāng)前有11種評

3、價方法。選用鋼制發(fā)動機(jī)罩、使用準(zhǔn)各項(xiàng)同性鋪層和一般各向異性鋪層為面板的碳纖維發(fā)動機(jī)罩,共14個模型作為樣本,使用這些評價方法計算,對計算結(jié)果回歸分析,找出評價方法之間的關(guān)系,歸類并篩選,得到4種靜剛度評價方法,分別為彎曲載荷剛度,扭轉(zhuǎn)載荷剛度,砰擊載荷剛度和鎖閂載荷剛度,確定了發(fā)動機(jī)罩靜剛度評價體系。
　　發(fā)動機(jī)罩的實(shí)際構(gòu)造與理論中的夾芯板有一定區(qū)別。在初始設(shè)計的碳纖維發(fā)動機(jī)罩中,邊框質(zhì)量占整體的40％,而夾芯板理論中沒有考慮邊框

4、的作用,因此使用實(shí)驗(yàn)設(shè)計,分析邊框減重措施對整體剛度的影響。對邊框采用改變結(jié)構(gòu)和減薄壁厚兩種方法減重。以邊框結(jié)構(gòu)、邊框厚度、面板鋪層組數(shù)作為因子,將4個靜剛度指標(biāo)作為響應(yīng),設(shè)計全因子實(shí)驗(yàn),進(jìn)行方差分析,得到各響應(yīng)與各因子之間的關(guān)系。結(jié)果顯示,同時使用兩種減重措施,將使剛度有輕微的下降,但減重效果明顯,因此選用質(zhì)量最輕的邊框,作為后續(xù)設(shè)計的基礎(chǔ)。
　　根據(jù)前述的靜剛度計算結(jié)果,及14個模型的模態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)碳纖維發(fā)動機(jī)罩相較鋼制發(fā)動機(jī)

5、罩剛度性能過剩,可以進(jìn)一步輕量化。由于剛度和碰撞保護(hù)性能有一定的耦合,所以本文的優(yōu)化為指定一個剛度作為約束,在這個剛度的基礎(chǔ)上輕量化。使用遺傳算法優(yōu)化,以面板使用的鋪層數(shù)量最少作為優(yōu)化目標(biāo)。
　　針對鋪層數(shù)量的優(yōu)化,模仿生物遺傳中的mRNA轉(zhuǎn)錄環(huán)節(jié),提出了一種改進(jìn)的遺傳算法。通過abaqus軟件計算簡化模型,得到設(shè)計變量與優(yōu)化目標(biāo)值的函數(shù)關(guān)系。最終使用isight軟件,調(diào)用各種軟件,實(shí)現(xiàn)算法運(yùn)行。優(yōu)化結(jié)果與優(yōu)化原型相比,鋪層數(shù)量減