碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计

碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等诸多优异性能,在汽车结构中得到了广泛的应用。利用Altair OptiStruct软件建立了电池壳体有限元模型,对汽车蓄电池壳体结构进行了优化设计。整个汽车蓄电池壳体优化过程包括三个阶段:概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。首先,在概念设计阶段利用自由尺寸优化模块确定了铺层块的形状;然后,在系统设计阶段利用尺寸优化模块完成了铺层厚度的优化;最后,在详细设计阶段利用铺层顺序优化模块完成了铺层顺序的优化。优化结果表明,通过优化设计能减轻电池壳体的重量,减重比高达66%,优化效果明显。     

碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计

树脂基碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、密度小、耐高温、耐腐蚀等优良性能.将其应用于汽车引擎盖,在保证刚度等力学性能要求的前提下,能够有效地减轻重量,实现汽车轻量化的目的.文中选择了合适的铺层顺序和铺层角度[90°/45°/0°/-45°/90°],优化了铺层方案,满足了汽车引擎盖的性能要求.从结构方面对碳纤维复合材料汽车引擎盖进行分析,指出其优势和不足,对包括引擎盖在内的汽车覆盖件的设计具有积极的参考意义.     

复合材料地铁车车头外罩铺层优化设计

为了充分发挥复合材料轻量化的潜能,基于OptiStruct复合材料优化技术对某地铁车车头外罩进行铺层优化设计,实现了车头外罩的轻量化。首先,以全碳纤维、玻碳层间混杂和玻碳夹芯混杂3种铺层方式作为备选方案,对复合材料车头外罩进行等代设计,初步确定最优的铺层方案;其次,针对复合材料的可设计性,分别以柔度、质量和铺层顺序为目标函数对该最优铺层方案进一步进行自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化,最终获得了车头外罩最佳的铺层厚度和铺层顺序。研究结果表明:在满足车头外罩刚度和复合材料应变的设计要求下,优化后的复合材料车头外罩与等代设计阶段相比质量减轻了23. 6%,与原玻璃纤维车头外罩相比质量减轻了33. 6%,轻量化效果明显。     

碳纤维复合材料无人机机身铺层优化设计

本文以机身质量最小为优化目标,对碳纤维复合材料六旋翼无人机机身进行了三阶段非均匀铺层优化设计。研究中以空中悬停急速上升为分析工况,首先通过自由尺寸优化获得碳纤维复合材料每个纤维方向铺层的厚度分布;然后通过尺寸优化获得每个纤维方向铺层层数;最后通过铺层顺序优化获得铺层优化方案;最后优化结果与均匀铺层的无人机身性能进行了对比。研究表明本文提出的方法可有效实现无人机机身的轻量化,在满足刚度、强度和工艺性能要求的前提下,无人机机身重量比均匀铺层的机身方案重量减少了50%。     

基于OptiStruct碳纤维复合材料顶盖结构优化设计的研究

以某款汽车顶盖为例,采用碳纤维复合材料替换金属材料,根据复合材料的特点,提出了新型的复合材料优化设计技术,即自由尺寸优化,尺寸优化和铺层顺序优化,并采用这种新型优化方法,对复合材料顶盖进行优化设计,结果表明,在保证刚度的前提下,通过优化设计能大大减轻顶盖的重量,轻量化效果明显。     

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计.首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序.针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上.两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4％;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1％.     

拼接铺层纤维增强复合材料连接结构设计与离散优化

多相离散设计是依据零件具体结构,通过各向异性材料分布,获得理想的优化设计方法.针对目前离散设计方法中相邻设计域接头间的可靠性连接问题,提出了一种拼接铺层的结构形式,为结构件设计域连接提供了一种新的方法.结合复合材料离散设计与拼接铺层结构形式,综合考虑拼接接头对零件整体性能的影响,建立复合材料离散铺层优化系统.以汽车后背门模型为例,试验测试与仿真对比,验证了所建立优化模型的结果准确性.在优化过程中引入复合材料相关制造约束和材料插值模型,使优化设计结果兼顾了良好的可实施性.应用该铺层优化设计系统,相较传统复合材料铺层设计,汽车后背门在保证零件性能指标的基础之上,总成零件重量降低28.0％,实现了更加理想的轻量化实施效果.     

基于碳纤维复合材料的机器人臂杆优化设计

为了提高机器人的负载自重比,采用碳纤维复合材料替换铝合金材料,对机器人臂杆进行优化设计.通过准各向同性铺层方式测试碳纤维复合材料机器人臂杆的性能,并与铝合金材料机器人臂杆进行对比,确定碳纤维复合材料机器人臂杆的铺层厚度.使用邻域培植遗传算法对铺层角度进行优化,根据铺层设计的经验性原则筛选得到最优解.通过对比确认,优化设计后机器人臂杆的质量减小39.6％,轻量化效果明显.     

碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板综合优化

采用多级优化方法对碳纤维增强复合材料加固中心孔钢板进行优化设计,首先,采用拉丁超立方方法选取试验样本点,利用移动最小二乘法拟合近似代理模型,在代理模型基础上采用自适应响应面优化方法优化基本铺层厚度;然后,结合复合材料制造约束条件,利用Optistruct对铺层顺序进行优化,得到最佳铺层设计方案。经过多级优化设计后,钢板中心孔处应力分布更合理,最大Mises应力减小了56.6%。     

复合材料飞机结构综合优化设计技术研究

针对复合材料前掠翼进行了综合设计优化。建立了多极混合优化设计模型。同时提出了用混合有限元模型实现系统层优化设计的方法。通过三级混合优化设计模型,初步实现了对前掠机翼结构的综合优化设计,一方面达到了提高机翼结构稳定性的目标,另一方面也对机翼层合板结构的铺层顺序实现了铺层设计。     

蚁群算法在复合材料层合板优化设计中的应用

对含有2N层的对称层合板铺层优化,采用多层城市的思想,即将每层备选角度设为一层城市,共同组成具有相同特征的N层城市,优化的过程就是在N层城市中每层选择一座城市,组成N维铺层角度向量.文中采用含有变异操作的蚁群算法,按照求解旅行商问题(traveling salesman problem ,TSP)的方法和过程,对已知铺层总数复合材料层合板的某个参数进行优化设计,最终确定各角度的铺层数及铺层顺序.算例结果表明,经过有限次数的循环,即能收敛到满意的结果,优化过程显示蚁群算法的良好鲁棒性,同时该方法为解决复合材料结构优化及其他组合优化问题提供一种新的思路.     

复合材料加筋壁板结构工程化优化设计

针对飞机结构减重的需求,对复合材料加筋壁板结构的优化设计工程化方法进行发展和研究。为减少优化规模,采用布局尺寸优化和铺层顺序优化两级优化的策略进行优化。布局尺寸优化采用内点罚函数法、Powell方法和黄金分割法,在保证稳定性约束条件下减少结构重量;铺层顺序优化运用了铺层参数的概念来提高优化效率。算例表明,该方法在满足约束条件的情况下,很好地实现了结构的减重,且求解效率较高,方便工程实用。     

基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法

提出一种基于复合材料层板稳定性的铺层参数优化设计方法,首先利用最大应变能准则优化分层厚度,利用库塔条件推导出层合板单元厚度迭代公式优化单元厚度,两步交替进行,完成层板厚度与铺层比例优化;在此基础上采用遗传算法优化层合板铺层顺序,最终设计出满足稳定性要求的最佳层合板铺层.通过算例分析表明,文中方法与传统方法相比收敛速度明显提高.同时,最佳的厚度分布也为层合板加筋设计提供理论参考.     

基于复合材料固化变形的铺层顺序优化方法

引入反映铺层顺序的代理模型,通过数值实验计算了不同铺层顺序下结构的铺层顺序参数,失稳特征值和固化变形大小,在此基础上分别构造了固化变形和失稳特征值对铺层顺序参数的响应面模型,并根据所得响应面模型优化得到最优的铺层顺序参数,再通过铺层顺序的反向设计得到实际的铺层顺序。结果表明:在满足结构稳定性约束条件下,通过铺层顺序优化可以减小固化变形大小,基于代理模型的铺层顺序优化方法可以显著提高铺层顺序的优化设计效率。     

基于整数编码并行遗传算法的复合材料螺旋桨结构优化设计

提出一种针对大型复合材料结构铺层厚度和铺层顺序同时进行优化的整数编码并行遗传算法,并将该优化方法应用于复合材料螺旋桨结构优化问题.首先,在区域划分的基础上,对每一单层设定一个长度控制因子来决定单层的铺设区域,以实现对大型复合材料结构的整体一次性优化.然后对遗传算法进行改进,使之成为一种能同时优化铺层厚度和铺层顺序的高效算法.并采用并行编程语言标准MPI( message passing interface)构建并行编程环境,利用主从式并行遗传算法框架,实现遗传算法在单机多进程上的并行计算.最后针对复合材料螺旋桨结构进行优化设计,以验证该方法的高效性,并分析并行遗传算法的加速效果.     

飞机金属-复合材料副翼结构优化技术

针对飞机副翼结构,讨论了一种金属一复合结构的联合优化设计方法。用拓扑优化方法得到传力路径并对金属骨架布局进行设计。对于金属部件,采用拓扑优化方法进行概念设计,然后通过尺寸优化等方法对各个具体部件进行详细设计。对于复合材料蒙皮,采用三级优化设计方案,从铺设角、铺层比例、铺层厚度、铺层块形状及位置以及铺层次序等多个方面给出层舍板的设计参数,并且在设计过程中充分考虑了制造约束。     

汽车引擎盖外板拉延成形工艺参数优化研究

针对汽车引擎盖外板拉延成形容易产生起皱、破裂、拉延不充分等缺陷的问题,对影响引擎盖外板成形质量的工艺参数进行了研究。运用单因素变量法,研究了压边力、凸凹模间隙、摩擦因数、拉延筋高度、冲压速度对引擎盖外板拉延成形的影响;提出了一种基于正交试验法和极差分析法,以最大减薄率为优化目标,获得了最优工艺参数组合,确定了各因素对引擎盖外板最大减薄率影响主次顺序的优化方法,并对试验结果进行了方差分析,得出了影响最大减薄率的显著因素;应用优化后的工艺参数进行了模拟仿真,获得了良好的拉延成形效果。研究结果表明:使用最优工艺参数组合进行试模,获得的引擎盖外板最大减薄率为19.585%,最大增厚率为1.047%,成形质量较好;应用基于正交试验法的数值模拟技术能够提高引擎盖外板成形质量,减少试模次数、缩短生产周期、降低生产成本。     

CFRP汽车防撞梁结构/材料一体化优化设计

针对复合材料汽车防撞梁结构布局和层合板铺层优化问题,提出以防撞梁强度最大为目标,宏观结构与层合板铺层角为变量的结构/材料双尺度优化设计方法。结构层面采用B样条对防撞梁轮廓曲线进行参数化表达,并改变防撞梁截面关键尺寸,构建几何模型;材料层面考虑铺层角对层合板性能带来的影响,采用0°、±45°、90°四种标准铺层角进行铺设。通过自适应遗传算法对结构与材料两个层面的设计变量进行初始化,实现了适用于复合材料汽车防撞梁的结构/材料一体化优化设计。结果表明:防撞梁结构的强度较优化之前升幅为81.41%,且最大等效应力下降至64.885MPa,小于CFRP材料的极限强度,优化结果达到预期效果。     

基于免疫算法的复合材料铺层顺序优化设计

介绍一种模拟人体免疫系统工作原理而得出的全局优化算法--免疫算法,简述其工作原理和基本步骤,并用该方法研究复合材料层合板的铺层顺序优化设计问题.最后通过算例结果验证文中提出的复合材料层合板优化设计方法的有效性,并研究免疫算法的记忆抗体群的大小对优化结果的影响.     

碳纤维复合材料低速冲击特性及损伤分析研究

针对碳纤维复合材料汽车保险杠的低速耐冲击性能问题,利用真空辅助树脂扩散成型工艺制备了不同铺层比例与铺层顺序的碳纤维复合材料试样,对其进行了简支梁低速冲击性能试验,根据低速冲击响应特性曲线及损伤模式探究了复合材料能量吸收机理;同时基于ABAQUS/Explicit对典型铺层试样建立了简支梁冲击仿真模型,利用Hashin失效准则进行失效判断,研究了低速冲击响应应力变化及损伤过程并将模拟结果与实验值进行了比较。研究结果表明:碳纤维复合材料简支梁低速冲击主要损伤模式为纤维断裂,通过增加(0,90)铺层能够提高接触力载荷与冲击韧性强度,通过在试样冲击表面铺设(±45)铺层能够缓解结构剧烈破坏。峰值载荷误差为5.1%,峰值位移误差为3.2%,证明了模型的有效性,为碳纤维复合材料保险杠提供了设计基础。