长纤维热塑性复合材料轻卡离合器壳体轻量化研究

发布时间：2020-05-07 17:52

【摘要】：汽车轻量化设计是实现汽车节能减排的重要技术手段,能有效地降低传统燃油汽车的油耗和增加新能源汽车的续航里程。研究表明,每当汽车的自身重量减少10%,汽车的燃油消耗可以降低6-8%,对应的排放量下降4%。离合器壳体是变速箱壳体中较重零部件之一,对其进行轻量化设计是非常有必要的。相比离合器壳体原来所使用材料铸铁,现所使用材料铸铝减重比例达到62.5%。由于长纤维热塑性复合材料具有易成型、制造效率高、成本低和易回收等优点,热塑性复合材料在离合器壳体上的应用具有广阔的前景。文章对复合材料壳体采用注塑成型,因此需要对离合器壳体进行优化设计。首先应用三维建模软件SolidWorks对离合器壳体进行了三维模型的建立,利用Ansys建立其有限元模型。通过计算得到壳体一档工况的受力状况,在有限元软件静力学分析模块中进行静力学分析。根据仿真分析得到壳体的应力与应变分布图,清晰地了解到一档工况下离合器壳体受力薄弱的区域以及应力集中所处的部位。结果显示虽然在一档工况下壳体的强度满足强度要求,但离合器壳体的底部应力较大,在设计注塑壳体时底部需要加强。壳体的边缘部位受力显示较小,故设计模型时边缘处应减小壁厚。为了进一步实现轻量化,随后文章根据拓扑优化流程对离合器壳体进行了拓扑优化设计,拓扑优化结果为离合器注塑壳体提供了修改依据。由于材料的各向异性长纤维热塑性复合材料离合器壳体力学性能仿真分析相比铸铝离合器壳体力学性能仿真分析要面临更大的挑战。本文构建了适用于热塑性复合材料离合器壳体力学性能仿真分析流程。根据仿真流程,文章在Digimat软件中建立复合材料的本构模型,通过模流分析软件得知注塑壳体的纤维方向信息。接着对模流网格上的纤维信息进行了结构网格映射。最后联合求解得到复合材料离合器壳体的应力应变图。在满足强度的条件,最终复合材料离合器壳体重2.86Kg,相比铸铝壳体减重43.1%,达到了预期的设计目标。
【图文】：

纤维复合材料,汽车

比普通利用钢材制作的车在重量上减轻了 60%。在相同油量的前提下，这辆汽车比传统车要多开 50 公里。虽然纤维复合材料汽车看起来像是塑料，但在实际工作过程中这个复合材料抗冲击性比钢材要好的多，特别是纤维复合材料制作的方向盘，机械强度和抗冲击能力比传统的都要好的多。伴随着汽车业的发展，汽车上的零部件轻量化设计已经成为汽车行业重要的研究课题。汽车轻量化的设计不仅可以降低油耗，同时还可以降低汽车的使用成本。通过查阅资料发现，在汽车自身重量减轻 100Kg 的情况下行驶 100 公里，大约可以节约 0.3Kg 的汽油。目前汽车的轻量化设计主要是通过对汽车上的一些零部件进行复合材料替换，比如车门组件、保险杠、减速器、汽车座位支架、方向盘等等。汽车公司通过采用碳纤维复合材料制造出一辆超轻概念车，整个车重只有 191Kg，车身的刚度相比较于钢制车身较优。在重量方面相比较于钢制车 367.9Kg，超概念车的轻量化达到 53%[33]。有厂家利用复合材料制作车轮，车轮采用复合材料之后相比对标车轮减重达到 30%，达到了轻量化的目的。如下图 2.1 所示为纤维复合材料在汽车零部件上的应用。

软件界面

图 2.2 Digimat 软件界面章涉及到的模块主要有三个分别为：MF、MAP 和 CAE，随后对其进行简单介绍1）DIGIMAT-MFigimat-MF 可以快速准确的预测复合材料的非线性行为，这一过程用到的方法。这个模块涉及到的理论为单胞理论，也就是将复合材料划分为最小的基体和增强相等材料的力学性能进行定义。此外还有增强相的含量和变量义好之后即可得到复合材料的本构模型，从而计算得到复合材料的机械性2）DIGIMAT-MAPigimat-MAP 这一模块提供的是网格映射功能，因为模流分析得到的网格与匹配，，所以需要对模流分析得到的网格上的纤维信息进行映射，从而实现数据的交换。利用这一模块研究人员可以精确地把模流分析结果传递到有从而提高最终的仿真分析结果。3）DIGIMAT-CAE
【学位授予单位】：中北大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U463.211;TB33

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