碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化研究
发布时间：2021-06-13 11:46
悬架扭转梁是汽车底盘关键零部件,对其进行轻量化设计有助于降低汽车非簧载质量,提高燃油经济性,改善汽车行驶性能。考虑到碳纤维增强复合材料具有优异的力学性能和良好的可设计性,本文将其应用于汽车悬架扭转梁横梁结构,研究碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化设计方法,对轻质高强汽车悬架结构件的设计开发具有重要的借鉴意义。首先,在探讨碳纤维复合材料力学理论基础上,通过真空辅助成型法结合试验标准制作力学性能试样,进行拉伸试验、压缩试验以及面内剪切试验,整理测量数据,计算得到碳纤维复合材料的力学性能参数。其次,建立钢质扭转梁有限元模型,确定分析工况和边界条件,仿真得到U型钢质横梁的性能。基于等刚度设计理论确定U型碳纤维复合材料横梁的厚度,对比分析仿真结果,结合薄板结构几何特性将扭转梁横梁结构U型截面改为S型截面,验证改进效果。基于复合材料设计原则,采用包括自由尺寸优化、尺寸优化以及层组次序优化的多层次优化方法得到S型碳纤维复合材料横梁的最佳铺层方案。最后,在前述最佳铺层方案的基础上,将碳纤维复合材料的铺层厚度以及铺层角度作为设计变量,构建设计变量与结构性能指标之间的近似模型,结合NSGA-II算法和蒙特...
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纤维复合材料各领域占比[1]
青岛大学硕士学位论文2能。考虑到碳纤维复合材料具有优异的力学性能和良好的可设计性，将其应用于悬架扭转梁横梁结构，可大幅度提高其轻量化水平。由于碳纤维复合材料在结构设计与制造工艺中受到多种不确定性因素的影响，在传统的确定性优化设计基础上充分考虑设计参数的不确定性，研究碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化设计方法，对轻质高强汽车悬架结构件的设计开发具有重要的借鉴意义。1.2国内外研究现状1.2.1碳纤维复合材料在轻量化领域研究现状碳纤维的相关研究最早可追溯到1879年，美国科学家爱迪生在制备白炽灯灯丝材料的过程中，将棉线在高温作用下碳化得到了最早的碳纤维，但这种制备方法存在众多缺陷。之后制备碳纤维的方法研究进展缓慢，直到20世纪50年代碳纤维才真正登上历史舞台[1]。1959年，日本大阪工业研究所的近藤昭男博士（AkioShindo）通过聚丙烯腈（PAN）纤维先氧化后碳化的方法，得到了具有较好强度和模量性能的碳纤维。1963年，英国瓦特博士等人借鉴近藤昭男博士的氧化-碳化方法[2]，添加了增强拉伸应力的工艺，进一步提升了碳纤维的性能，并由此开启了碳纤维复合材料的工业化生产。随着碳纤维复合材料制备技术与制造工艺的不断提高，碳纤维复合材料在交通、能源、医疗、航空航天、机械等行业的应用步伐不断加快。2012年，全球碳纤维需求量约为4.3万吨，呈稳步增长，年均增长率均在10%以上，预计到2020年将达到13万吨，近几年全球碳纤维年需求量如图1.2所示。碳纤维复合材料因其优异的力学性能和良好的可设计性，在轻量化领域具有显著的优势，国内外许多学者对其在工业领域的轻量化应用开展了大量的研究工作。图1.2碳纤维复合材料全球年需求量[1]
青岛大学硕士学位论文912112212211221122211121221661221121111EEQQEQGEQ，，2-(10)式中：E1为纵向弹性模量；E2为横向弹性模量；v12为主泊松比；G12为剪切弹性模量。但在实际应用中，单层板的材料主应力坐标系与几何参考的一般坐标系不太一致，因此需要建立在一般直角坐标系下单层板的本构关系，如图2.1所示。图2.1材料主应力方向坐标系和一般坐标系通过原单层板材料主应力坐标系的应力分量和应变分量来表达一般坐标系下的应力分量和应变分量，转换关系为：22cos2sin212sin212sincossin2sinsincos22cos2sin212sin212sincossin2sinsincos12212222211221222221xyxy2-(11)根据上述转换关系，我们可以推导出单层板在一般坐标系下应力-应变的本构关系为：xyxyQQQQQQQQQ21261666262212161211212-(12)其中，—Qij与Qij具有如下关系：
【参考文献】：
期刊论文
[1]扭转梁悬架碳纤维复合材料横梁结构优化[J]. 蒋荣超,刘越,刘大维,王登峰,孙海霞. 汽车工程. 2020(02)
[2]碳纤维复合材料的乘用车前端结构轻量化设计[J]. 张大鹏,孙忠辉,李振辉. 长春理工大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]碳纤维复合材料悬架控制臂轻量化设计研究[J]. 刘越,蒋荣超,刘大维,陈焕明,张涛. 玻璃钢/复合材料. 2019(08)
[4]碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计[J]. 胡仁祥,周金宇. 机械设计与制造. 2017(12)
[5]基于可靠性的结构动态拓扑优化方法[J]. 唐东峰,游世辉. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(10)
[6]碳纤维增强复合材料汽车保险杠的轻量化设计[J]. 王庆,卢家海,刘钊,朱平. 上海交通大学学报. 2017(02)
[7]大学生方程式赛车复合材料单体壳车身优化[J]. 余海燕,徐豪,周辰晓. 同济大学学报(自然科学版). 2016(11)
[8]汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计研究[J]. 郑总政. 科技与创新. 2016(08)
[9]汽车车桥的失效机理与可靠性分析[J]. 彭显尚. 科技风. 2016(04)
[10]基于改进自适应遗传算法的复合材料铺层优化设计[J]. 陆振玉,张恩阳,刘波. 玻璃钢/复合材料. 2016(02)
博士论文
[1]轿车悬架零部件性能匹配与轻量化多目标优化方法研究[D]. 蒋荣超.吉林大学 2016
[2]代理模型近似技术研究及其在结构可靠度分析中的应用[D]. 李坚.上海交通大学 2013
[3]基于kriging代理模型的优化设计方法及其在注塑成型中的应用[D]. 高月华.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]某车型车门结构分析及优化[D]. 耿少飞.广西科技大学 2019
[2]混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计[D]. 黄继峰.江苏理工学院 2018
[3]复合材料悬架横臂的优化设计[D]. 高希.中北大学 2014
[4]碳纤维轿车保险杠横梁的设计[D]. 吴琼.武汉理工大学 2014
[5]基于等刚度原理的铝合金车门的多目标优化[D]. 吴洪亮.合肥工业大学 2014
[6]高速冲床传动系统寿命周期可靠性关键技术研究[D]. 张会杰.重庆大学 2013
[7]NSGA2算法及其在电力系统稳定器参数优化中的应用[D]. 张利.西南交通大学 2013
[8]碳纤维复合材料发动机罩优化设计研究[D]. 韩鹏.吉林大学 2011
[9]基于ANSYS软件PDS模块机械零件状态函数灵敏度分析[D]. 李响铸.吉林大学 2008
[10]复合材料加筋壁板铺层参数及稳定性优化设计[D]. 常楠.西北工业大学 2007
本文编号：3227435
【文章来源】：青岛大学山东省
【文章页数】：72 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
碳纤维复合材料各领域占比[1]
青岛大学硕士学位论文2能。考虑到碳纤维复合材料具有优异的力学性能和良好的可设计性，将其应用于悬架扭转梁横梁结构，可大幅度提高其轻量化水平。由于碳纤维复合材料在结构设计与制造工艺中受到多种不确定性因素的影响，在传统的确定性优化设计基础上充分考虑设计参数的不确定性，研究碳纤维增强复合材料扭转梁横梁轻量化设计方法，对轻质高强汽车悬架结构件的设计开发具有重要的借鉴意义。1.2国内外研究现状1.2.1碳纤维复合材料在轻量化领域研究现状碳纤维的相关研究最早可追溯到1879年，美国科学家爱迪生在制备白炽灯灯丝材料的过程中，将棉线在高温作用下碳化得到了最早的碳纤维，但这种制备方法存在众多缺陷。之后制备碳纤维的方法研究进展缓慢，直到20世纪50年代碳纤维才真正登上历史舞台[1]。1959年，日本大阪工业研究所的近藤昭男博士（AkioShindo）通过聚丙烯腈（PAN）纤维先氧化后碳化的方法，得到了具有较好强度和模量性能的碳纤维。1963年，英国瓦特博士等人借鉴近藤昭男博士的氧化-碳化方法[2]，添加了增强拉伸应力的工艺，进一步提升了碳纤维的性能，并由此开启了碳纤维复合材料的工业化生产。随着碳纤维复合材料制备技术与制造工艺的不断提高，碳纤维复合材料在交通、能源、医疗、航空航天、机械等行业的应用步伐不断加快。2012年，全球碳纤维需求量约为4.3万吨，呈稳步增长，年均增长率均在10%以上，预计到2020年将达到13万吨，近几年全球碳纤维年需求量如图1.2所示。碳纤维复合材料因其优异的力学性能和良好的可设计性，在轻量化领域具有显著的优势，国内外许多学者对其在工业领域的轻量化应用开展了大量的研究工作。图1.2碳纤维复合材料全球年需求量[1]
青岛大学硕士学位论文912112212211221122211121221661221121111EEQQEQGEQ，，2-(10)式中：E1为纵向弹性模量；E2为横向弹性模量；v12为主泊松比；G12为剪切弹性模量。但在实际应用中，单层板的材料主应力坐标系与几何参考的一般坐标系不太一致，因此需要建立在一般直角坐标系下单层板的本构关系，如图2.1所示。图2.1材料主应力方向坐标系和一般坐标系通过原单层板材料主应力坐标系的应力分量和应变分量来表达一般坐标系下的应力分量和应变分量，转换关系为：22cos2sin212sin212sincossin2sinsincos22cos2sin212sin212sincossin2sinsincos12212222211221222221xyxy2-(11)根据上述转换关系，我们可以推导出单层板在一般坐标系下应力-应变的本构关系为：xyxyQQQQQQQQQ21261666262212161211212-(12)其中，—Qij与Qij具有如下关系：
【参考文献】：
期刊论文
[1]扭转梁悬架碳纤维复合材料横梁结构优化[J]. 蒋荣超,刘越,刘大维,王登峰,孙海霞. 汽车工程. 2020(02)
[2]碳纤维复合材料的乘用车前端结构轻量化设计[J]. 张大鹏,孙忠辉,李振辉. 长春理工大学学报(自然科学版). 2019(05)
[3]碳纤维复合材料悬架控制臂轻量化设计研究[J]. 刘越,蒋荣超,刘大维,陈焕明,张涛. 玻璃钢/复合材料. 2019(08)
[4]碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计[J]. 胡仁祥,周金宇. 机械设计与制造. 2017(12)
[5]基于可靠性的结构动态拓扑优化方法[J]. 唐东峰,游世辉. 湖南大学学报(自然科学版). 2017(10)
[6]碳纤维增强复合材料汽车保险杠的轻量化设计[J]. 王庆,卢家海,刘钊,朱平. 上海交通大学学报. 2017(02)
[7]大学生方程式赛车复合材料单体壳车身优化[J]. 余海燕,徐豪,周辰晓. 同济大学学报(自然科学版). 2016(11)
[8]汽车碳纤维复合材料混合传动轴设计研究[J]. 郑总政. 科技与创新. 2016(08)
[9]汽车车桥的失效机理与可靠性分析[J]. 彭显尚. 科技风. 2016(04)
[10]基于改进自适应遗传算法的复合材料铺层优化设计[J]. 陆振玉,张恩阳,刘波. 玻璃钢/复合材料. 2016(02)
博士论文
[1]轿车悬架零部件性能匹配与轻量化多目标优化方法研究[D]. 蒋荣超.吉林大学 2016
[2]代理模型近似技术研究及其在结构可靠度分析中的应用[D]. 李坚.上海交通大学 2013
[3]基于kriging代理模型的优化设计方法及其在注塑成型中的应用[D]. 高月华.大连理工大学 2009
硕士论文
[1]某车型车门结构分析及优化[D]. 耿少飞.广西科技大学 2019
[2]混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计[D]. 黄继峰.江苏理工学院 2018
[3]复合材料悬架横臂的优化设计[D]. 高希.中北大学 2014
[4]碳纤维轿车保险杠横梁的设计[D]. 吴琼.武汉理工大学 2014
[5]基于等刚度原理的铝合金车门的多目标优化[D]. 吴洪亮.合肥工业大学 2014
[6]高速冲床传动系统寿命周期可靠性关键技术研究[D]. 张会杰.重庆大学 2013
[7]NSGA2算法及其在电力系统稳定器参数优化中的应用[D]. 张利.西南交通大学 2013
[8]碳纤维复合材料发动机罩优化设计研究[D]. 韩鹏.吉林大学 2011
[9]基于ANSYS软件PDS模块机械零件状态函数灵敏度分析[D]. 李响铸.吉林大学 2008
[10]复合材料加筋壁板铺层参数及稳定性优化设计[D]. 常楠.西北工业大学 2007
本文编号：3227435
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