碳纤维复合材料防撞梁的设计与分析

对某款乘用车的碳纤维复合材料防撞梁进行了研究。对碳纤维铺层进行了设计,通过有限元建模、施加边界条件与载荷,对碳纤维复合材料防撞梁的应力、变形与应力失效因数进行了分析,并对不同碳纤维铺层铺设角度进行了对比。通过设计与分析,使碳纤维复合材料防撞梁在满足要求的前提下,相比铝合金防撞梁质量减轻31.4%。     

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％.     

铝/碳纤维复合材料保险杠轻量化设计

对保险杠进行轻量化设计,并保证碰撞安全性,用铝/碳纤维复合材料替换原保险杠防撞梁钢质材料。分别对保险杠各部分厚度及碳纤维铺层角度进行了设计,确定了铝合金和碳纤维的厚度,探讨了铝合金和碳纤维板的厚度对碰撞性能的影响,通过采用对碳纤维铺层角度优化的方法提高碰撞安全性。通过拉丁超立方采样得到的试验样本,用移动最小二乘法建立近似模型并验证其精度,利用多目标遗传算法对近似模型寻优,确定了碳纤维最佳铺层角度,得到优化后铝/碳纤维复合材料保险杠防撞梁。与原钢质材料的保险杠相比,优化后铝/碳纤维复合材料保险杠质量减轻了36.497%,且满足碰撞安全性要求。     

大型望远镜主镜室碳纤维桁架单元的优化

为适应光学红外望远镜口径不断增大的需求,降低驱动功率,应用碳纤维复合材料对望远镜主镜室桁架进行轻量化设计。对望远镜主镜室碳纤维复合材料桁架单元铺层进行优化设计,利用进化算法选取最优铺层方案。对望远镜主镜室桁架单元建模,并利用敏感性分析及进化算法选取最佳铺层方案,设计另外3种典型铺层方案进行对比,对桁架杆单元进行静力学分析和加载实验,对桁架杆组装成的六杆三棱锥单元进行模态分析和振动测试。有限元分析和实验结果对比表明:最优铺层方案为[±45°/90°/0°/90°/0°]s。有限元分析得到该方案桁架杆单元的等效轴向刚度为8.306×106N/m,实验测得为7.463×106N/m;有限元分析得到的等效径向刚度为3 968.3 N/m,实验测得为3 344.5 N/m。该方案六杆三棱锥单元模态分析得到一阶频率为93.699 Hz,振动测试测得一阶频率为84.683 Hz。复合材料桁架杆质量比同尺寸的钢结构杆减轻了77.6%,静力学性能与动力学性能均优于同质量钢杆。最佳铺层方案的有限元分析结果和实验结果表明其静力学性能及动力学性能均优于其他方案。     

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%。     

碳纤维复合材料自行车车架轻量化设计

文中考虑到碳纤维增强复合材料轻质高强的特点,利用灰色关联分析方法对碳纤维增强复合材料自行车车架开展铺层优化设计。通过材料力学性能试验获得碳纤维增强复合材料力学性能参数,并建立碳纤维增强复合材料自行车车架有限元模型,结合正交试验设计与灰色关联分析法,综合考虑自行车车架的质量、模态频率、强度和刚度等性能指标,对碳纤维增强复合材料自行车车架进行铺层厚度和角度优化设计。优化后,与原钢质自行车车架相比,在满足性能要求的前提下,CFRP自行车车架减重78.85%,取得了较好的轻量化效果。     

复合材料汽车车轮的强度分析与铺层设计

为了给复合材料汽车车轮的设计提供参考依据,根据复合材料力学理论,计算得到碳纤维-环氧(T300/5208)的性能参数,设计复合材料汽车车轮的铺层结构.根据汽车车轮弯曲疲劳实验数据建立该种车轮的有限元模型.通过有限元仿真分析得出最大应力和位移.还用有限元方法对结构相同的铝合金汽车车轮进行分析,并与复合材料车轮进行对比.在工作应力水平近似相等时,复合材料车轮的重量比铝合金车轮的重量小40.74%.在上述条件下,由于复合讨料的极限应力比铝合金的大,显然其强度比铝合金的高.     

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.     

不同铺层方式的复合材料层合板弯曲性能的研究

以碳纤维缠绕电动节能车车架为研究对象,采用有限元分析和力学试验对比的方式研究碳纤维铺层角及铺层层数对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。以层合板铺层角度、铺层层数为变量设置试验对比组,在ANSYS Composite Prep/Post复合材料分析模块中创建层合板的有限元模型研究层合板在承受弯曲载荷时的抗弯表现。结合弯曲试验结果,分析不同铺层方式对碳纤维复合材料层合板弯曲性能的影响。结果表明:在铺设一定数量的±45°铺层的基础上,增加0°/90°正交铺层可提高层合板的静承载强度;增加铺层层数,可提高层合板的弯曲强度。     

碳纤维环氧基复合材料镗杆的设计与优化

制备了一种由碳纤维为增强体,树脂为基体的复合材料镗杆,研究了其铺层设计,并对成型工艺进行介绍,对复合材料镗杆的静态性能和动态性能进行了有限元分析,并与普通结构的金属镗杆进行了性能对比。结果表明,复合结构镗杆具有更高的刚度以及更加优良的动态性能,适用于高速镗削加工,同时大大减轻了镗杆重量。     

纤维增强复合材料汽车前防撞梁的设计与分析

为减轻车身重量,以某新能源车型前防撞梁为研究对象,分别采用单向碳纤维增强树脂基复合(Continuous Fiber Reinforced Polymeric, CFRP)材料和机织碳-玻混杂纤维增强树脂基复合(Carbon-Glass Fiber Reinforced Polymeric, C-GFRP)材料代替原铝合金(6082-T6)材料。基于三点静压工况,确定“凹”字形结构为新设计复合材料前防撞梁的截面形状。基于熵权TOPSIS法对C-GFRP复合材料前防撞梁进行多目标优化,结合正面低速碰撞仿真对比,确定了2种复合材料前防撞梁的最优铺层厚度和铺层角度,通过碰撞比吸能、最大侵入量和碰撞支反力峰值等性能参数对比,分析了2种复合材料前防撞梁各自的优势。     

铺层参数对碳纤维复合材料板的隔振性能影响研究

碳纤维复合材料铺层参数对其振动特性影响很大。以碳纤维复合材料板为研究对象,从理论上分析了碳纤维复合材料板在自由振动下的模态特性,并运用有限元模型分析了铺层参数(铺层角度,铺层厚度,铺层顺序)对碳纤维复合材料板隔振性能影响特点。结果表明,在单一铺层中,±45°的铺层隔振性能更好;铺层厚度对碳纤维复合材料板隔振性能影响不大;与循环铺层方式相比,对称铺层方式更有利于提升碳纤维复合材料板的隔振性能。     

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。     

推臂用碳纤维复合材料性能分析与工艺研究

为探索机载弹射发射装置轻量化的有效途径,以发射装置典型结构推臂为研究对象,对碳纤维复合材料应用于该结构的可行性进行了综合论证。利用有限元方法优化结构设计并对结构失效部位进行了预测,通过系列静载试验确认了材料缺陷区及工字梁过渡区为结构薄弱部位,制定了推臂用碳纤维复合材料的工艺改进方案,并通过了极限工况考核。改进工艺后的碳纤维复合材料,其性能满足推臂结构设计要求,与铝合金相比,可实现减重1/3,为该材料在机载弹射发射装置上的推广应用提供了理论指导和试验依据。     

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%。     

微小型空间相机碳纤维整体式主框架轻量化设计

针对某微小型离轴空间相机结构紧凑、质量轻的设计要求,设计了一个高度轻量化的整体式碳纤维主框架。首先,根据空间相机具体功能的设计指标和光学系统,确定主框架的材料和结构形式,设计出碳纤维整体式主框架的基本构型。接着对铺层厚度参数化优化,并考虑碳纤维复合材料的制造约束,确定了主框架碳纤维铺层的厚度、比例。将参数化优化的结果进行离散化,进行碳纤维铺层顺序的优化,确定了最佳的堆叠次序,完成了碳纤维的铺层优化设计,实现了主框架的轻量化设计,解决了复杂碳纤维零件优化的问题。然后对设计完的碳纤维主框架结构代入整机有限元模型中,进行有限元仿真分析,验证主框架的性能指标。最后,将整机装配完成进行动力学试验,并与有限元分析结果进行对比验证。经过优化,碳纤维主框架的质量为4.5 kg,相机一阶频率为81 Hz,动力学试验得到的相机整机的一阶频率为78 Hz,仿真误差为3.7%,符合仿真结果,进一步说明了设计的合理性以及正确性。本文提出的空间相机碳纤维整体式主框架设计方法对微小型离轴三反式空间相机结构设计以及碳纤维零件的轻量化优化设计具有一定的借鉴意义。     

混杂纤维复合材料汽车引擎盖结构优化设计

以某款汽车引擎盖为例,用碳纤维/玻璃纤维混杂复合材料替换金属材料,基于Opti Struct软件的复合材料优化技术,提出了多阶段联合优化设计的方法。在概念设计阶段,通过拓扑优化确定复合材料的总体分布;在详细设计阶段,通过尺寸优化确定复合材料每种形状铺层块的具体厚度;在工艺设计阶段,通过铺层顺序优化确定最佳的铺层顺序。优化结果表明,原钢制汽车引擎盖质量为13.39 kg,在满足各种力学性能和制造工艺要求的前提下,经过多阶段联合优化设计后,复合材料汽车引擎盖质量为5.36 kg,质量减少了60%。     

基于自适应遗传算法的碳纤维复合材料汽车防撞梁优化设计研究

目前汽车防撞梁主要采用高碳钢或者铝合金材料,但在设计强度与汽车轻量化方面,碳纤维复合材料(CFRP)有着明显的优势,所以对CFRP汽车防撞梁层合板的性能研究十分重要。将考虑层合板铺层的广义海明距离与遗传算法相结合,提出了能够以汽车防撞梁为模型的优化设计新方法。该算法采用自适应的思想,与传统遗传算法不同,每次重组算子保留最优个体,这有效避免了交叉、变异操作对最优解取值的干扰,解决遗传算法过早收敛的现象。     

机床用碳纤维传动轴设计与分析

根据机床传动轴的设计参数,设计了碳纤维传动轴,确定了铺层层数及厚度.在此基础上,根据碳纤维布的铺层原则,制定了6种铺层方案,通过比较几种方案的变形和应力分布,从中选取最优铺层方案.运用ANSYS有限元仿真软件,对设计的碳纤维复合材料传动轴,进行静态扭转分析和模态分析,得到其扭转性能参数和固有频率,根据仿真结果可知设计的碳纤维传动轴能够满足机床传动轴的使用要求.