碳纤维复合材料汽车B柱加强板的优化与性能分析

通过建立B柱总成的有限元仿真模型,在等刚度原则下,对碳纤维复合材料B柱加强版进行自由尺寸优化、尺寸优化、铺层角度优化设计,并对B柱总成进行三点弯曲有限元仿真,获取优化后模型的最大位移及最大强度.通过真空导入成型工艺制作B柱加强板样件,并对碳纤维复合材料B柱总成进行三点弯曲试验,校核总成的强度指标.最后基于2018版C-NCAP标准分析整车侧面碰撞性能.通过对比刚度、弯曲性能、侧面碰撞侵入量、侧面碰撞侵入速度、侧面碰撞加速度,优化设计后的碳纤维复合材料B柱加强板可在保证刚度、强度及侧面碰撞性能的前提下替代原钢制B柱加强板,并使B柱加强板减重1.376 kg,减重比达到76.4%.     

车门内板侧面碰撞的耐撞性有限元分析与轻量化设计

建立了汽车车门侧面碰撞的简化有限元仿真模型,通过仿真实验对汽车车门内板、刚性柱的侧面碰撞进行研究,得出车门内板结构的应力参数、等效应变参数,准确评估了车门的碰撞性.结合仿真模型研究结果,从内板选材的角度开展车门轻量化研究,将钢板材料的车门内板替换为铝合金材料.重新调整车门内板的厚度,优选基于各种车门内板的轻量化方案,分析比对不同轻量化方案进行碰撞仿真试验后的结果,从而实现设计方案的最优化.增强汽车内门侧面碰撞的安全程度,达到内板轻量化的目的.     

大学生方程式赛车碳纤维轮圈结构设计与优化

大学生方程式赛车轮圈的轻量化设计对减轻簧下质量,提高赛车性能有着重要意义。采用有限元法研究赛车碳纤维轮圈的轻量化设计,对轮辐结构形式进行探究以寻求更高刚度,在多工况条件下对设计方案铺层结构进行多步优化以实现质量的减轻。分析表明,具有斜辐板设计的轮圈比直辐板轮圈有着更好的刚性;碳纤维铺层厚度分区优化是实现轻量化的有效方法,最终设计较原铝合金轮圈质量减轻56%;对碳纤维轮圈的结构优化使材料的最大应力和应变减小,整体刚性提高35%,失效因子降低8.1%。     

碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒低速碰撞轻量化设计优化

为了提升车身前端轻量化性能,本文设计与优化了一种新型结构的碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒。首先,建立了某乘用车钢制车身前端的有限元模型,并验证了模型的准确性。然后,运用拓扑优化技术对防撞梁及吸能盒进行拓扑设计,优化出其最优形状,确定新型防撞梁及吸能盒的三维模型。结合新型防撞梁及吸能盒模型,通过自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化,对碳纤维复合材料防撞梁铺层进行优化,确定其最佳铺层块、铺层角度及铺层顺序。最后,基于碳纤维复合材料防撞梁及铝合金吸能盒低速正面碰撞有限元模型,设置6个设计变量和5个响应,采用最优拉丁超立方法对各设计变量随机取样,以构建各响应值的Kriging近似模型,运用NSGA-Ⅱ算法对防撞梁及吸能盒进行多目标优化,确定其最佳厚度。优化结果表明:与优化前相比,优化后吸能量为787.993 J,下降0.25%;吸能盒截面碰撞力峰值为20.208 5 kN,下降了58.67%;最大侵入量为-64.284 7 mm,增加了118.69%;防撞梁及吸能盒总质量为0.953 7 kg,降低了45.34%。优化后碳纤维复合材料防撞梁及铝合金吸能盒在满足碰撞性能要求的条件下,比原钢制材料结构质量减少了67.2%,轻量化效果显著。     

冲击载荷下Ti/CFRP层合板结构的数值模拟分析

为了研究钛合金/碳纤维增强复合材料(Ti/CFRP)层合板结构的抗冲击性能,采用基于三维Hashin准则的VUMAT材料子程序模拟复合材料层合板的损伤失效,采用内聚力单元模拟层合板与钛合金之间的胶层,采用Johnson-Cook本构模型模拟钛合金的塑性变形及失效,建立了Ti/CFRP层合板结构的冲击损伤有限元模型。分别讨论了冲击动能、钛板的厚度及复合材料的铺层角度等因素对层合板结构的抗冲击性能的影响,结果显示增加钛板的厚度可以有效提高层合板结构的抗冲击性能,Ti/CFRP层合板结构承受冲击载荷发生损伤失效时,失效模式以基体失效与拉伸分层失效为主,合理选择铺层角度可以改善复合材料层合板的抗冲击性能。分析结果可为Ti/CFRP层合板结构的设计及工程应用提供参考。     

3D打印碳纤维复合材料的轨道车辆端部结构仿真研究

为进一步实现轨道车辆轻量化,本文首先对3D打印连续碳纤维复合材料进行了研究.然后,基于ABAQUS对用3D打印碳纤维复合材料制造的轨道车辆端部结构进行了仿真,分析了该构件的碰撞吸能性能和其失效模式,比较了不同铺层的复合材料车辆端部结构的不同碰撞吸能行为.研究表明,连续纤维有角度地错开了结构铺层,不仅可以提高材料的吸能量,还有助于应力在材料内部传递,从而缓解材料内部应力集中,也可降低碰撞接触力,减缓碰撞过程中的减速加速度与反弹加速度,减小回弹速度.     

基于加点多目标粒子群算法的 碳纤维防撞梁优化设计

为了达到车辆轻量化的效果，基于某轻型乘用车钢制防撞梁，根据车辆低速碰撞 标准对采用碳纤维材料的防撞梁进行结构优化设计 . 通过全因子试验确定防撞梁的截面参 数，考虑到各铺层区域之间厚度不同导致的材料不连续问题，提出了基于铺层相容性的铺层 原则，并以此确定防撞梁的厚度空间和对应的铺层顺序 . 在对防撞梁的铺层厚度进行优化设 计时，采用基于 kriging模型的加点多目标粒子群优化算法，在传统粒子群算法的基础上引入 多目标加点策略，能够有效解决由于近似模型精度不够导致的重复试验设计，提高了优化效 率. 优化设计后的仿真和台车试验表明，碳纤维防撞梁低速碰撞性能满足要求.     

某微卡汽车侧面碰撞仿真分析与优化设计

为了研究某微卡汽车在侧面碰撞过程中假人的胸腔与头部指标大于法规约束值的问题,以原方案的侧面碰撞仿真分析结果与海湾地区的法规为依据,选取车门与B柱内外板厚度、防撞杆与B柱内部缓冲结构厚度和门槛内吸能盒厚度与屈服强度为随机变量,假人的胸腔、头部、腹部和骨盆为输出响应值,确定了响应面模型;结合可靠性理论、一次二阶矩试验方法、优化方法与响应面模型,对微卡汽车的侧面结构进行优化设计,确定了使输出响应值最优的随机变量的各项参数值,并进行仿真分析。结果表明：优化方案使假人的各项伤害值均相应减少且小于法规约束值;提高了微卡汽车的侧面防撞性能;降低了侧面碰撞事故中乘员的致死率与致伤率。     

泡沫铝层合结构汽车发动机罩板研究

为了提高汽车的节能性、安全性,文章以某汽车发动机罩板为设计原型,以轻量化和刚度满足要求为约束条件,设计了泡沫铝层合结构汽车发动机罩板;利用有限元仿真分析方法对2种结构汽车发动机罩板的静态性能及其与行人头部碰撞保护性进行了分析。结果表明,泡沫铝层合结构汽车发动机罩板不仅可以实现汽车轻量化,达到节能减排的目的,而且还可提高汽车发动机罩板的静态性能及与行人碰撞的安全性。     

新型碳纤维复合材料综框的铺层设计与动力学特性研究

为了提高织机车速,降低织造过程中的振动和噪声,将复合材料层合板应用于综框结构设计,给出了单层板的本构关系与力学计算方法。在ANSYS平台上设计了三种铺层方案,采用shell181单元模拟碳纤维复合材料的分层结构,计算出了不同分层方案的低阶固有频率和振型,并与铝合金综框作了比较。分析结果表明,采用6层非对称层合板结构(即铺层方案二)时,综框具有最佳动力学特性,不仅使综框基频提高了19.48 Hz,而且使其自重减轻了约26.82%,在实现轻量化设计的同时有效增强了综框的抗振性。     

爆炸荷载下FRP加固双向板动力响应数值模拟

为了研究外贴FRP加固钢筋混凝土双向板的抗爆性能,采用有限元软件ANSYS/LS-DYNA对其在爆炸荷载下的动力响应进行模拟,比较分析了不同CFRP粘贴层数、粘贴密度和不同FRP材料对其抗爆性能的影响.结果表明,相同爆炸荷载下,随着CFRP粘贴层数和粘贴密度的增加,加固板抗爆性能不断增强,但考虑经济性和延性,CFRP粘...     

CFRP对称铺层环形法兰连接拉伸刚度计算方法

为计算碳纤维增强复合材料(carbon fiber reinforced plastic，CFRP)对称铺层环形法兰连接的拉伸刚度，基于圆板对称弯曲和经典层合板理论提出一种考虑环向支撑、材料各向异性和撬力作用系数的计算方法。在制备过程中，采用预浸料手工铺设和模压成型的方法成型试件，而后开展了3组不同法兰板厚度（2.2，3.0，3.8 mm）连接件轴向拉伸试验。通过对比理论计算值与试验结果，验证了计算方法的正确性，误差均不大于13.61%。通过理论模型分析影响因素，结果表明：拉伸刚度随法兰板厚度、外径和内径的增大而增大，随螺栓所在的半径变大而减小；改变螺栓位置对于拉伸刚度的提升比改变法兰板内外径更显著，当螺栓位置由90 mm调整至85 mm时，拉伸刚度提升59.54%。     

飞机结构强度试验中碳纤维增强树脂基复合材料无损检测技术

新型飞机大量使用碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)作为结构用材,为确定CFRP结构强度试验后的最终损伤状态,必须制定相应的无损检测方案与损伤评定方法。针对强度试验后CFRP工件表面粘接物对检测效率的影响、变厚度弧形CFRP结构原位检测损伤识别以及CFRP结构冲击损伤定量基准波选取等关键技术,结合强度试验中无损检测的特点,采用现场检测典型信号分析的方法,提出了CFRP结构强度试验中的无损检测方案和损伤评定方法,最后通过实验验证了检测方案和评定方法的有效性。     

纯电动汽车车身多目标拓扑优化设计

为解决纯电动汽车车身设计中仍沿用传统车身,未同时考虑碰撞相容性和正面碰撞安全性的问题,基于混合元胞自动机拓扑优化方法,以在约束条件下吸收碰撞能量最大化为优化目标,对车身结构进行多工况概念设计,从而确定出合理的电动汽车车身布局,设计出了一种满足正面碰撞安全性与碰撞相容性的车身头部结构.结合拓扑优化结果进行有限元模型验证与厚度分析,结果表明:2~3mm的汽车头部厚度可在满足正面碰撞安全性条件下平衡碰撞过程中车体结构的纵向错位,保证碰撞力的均匀分布,实现车身轻量化.     

CFRP在商用车白车身驾驶室中的轻量化研究

通过实验与仿真建立了CFRP复合材料的本构模型.对某商用车白车身驾驶室进行静刚度和动态力学分析,在满足驾驶室车身刚度要求的条件下,选取CFRP复合材料对驾驶室模型进行材料代替,设计了钢/CFRP混合材料结构的驾驶室模型,并以通用有限元软件nastran对其求解.仿真结果表明,轻量化后的驾驶室模型的刚度基本保持不变,一阶扭转频率提升了27.3%,同时白车身驾驶室整体质量下降37.9 kg,降幅达到11.3%,轻量化效果显著,CFRP复合材料在汽车轻量化领域具有广阔的发展前景.     

基于Kriging近似模型的碳纤维增强复合

以平纹机织碳纤维增强树脂基(CFRP)复合材料为研究对象,通过力学试验测试材料的静态力学和疲劳力学性能,结合Kriging插值方法和Basquin疲劳方程建立预测任意载荷下疲劳应力 循环寿命(S N)曲线的恒幅寿命图模型,并以此作为复合材料结构优化设计的性能约束;同时,利用最优拉丁超立方试验设计方法和Kriging近似模型构建优化目标和约束响应的近似模型,采用遗传算法优化得到CFRP复合材料电动汽车电池箱壳体的厚度,并通过台架实验加以验证.结果表明,优化后,电池箱壳体结构的减重率达到34.39%.     

粘贴钢板或碳纤维加固受弯构件效果对比试验研究

通过两组钢筋混凝土简支梁在相同条件下预先加载至开裂后采用受拉边粘贴钢板或粘贴碳纤维布,受压边增大截面的加固试验,对比两种情况下的梁的跨中挠度、原受拉钢筋应变、新增钢板或碳纤维应变、原梁顶混凝土应变及新增混凝土顶面应变随弯矩的变化,分析其加固效果.结果表明:粘贴钢板加固与粘贴碳纤维加固相比,前者对截面各新旧材料受力和梁的刚度改善程度明显高于后者;前者对抗弯能力提高方面也明显优于后者;后者适合用于梁的抗裂加固,而不适合用于提高抗弯能力及变形能力加固;涂抹法粘贴钢板加固在抑制裂缝开展方面不如粘贴碳纤维加固;对适筋梁,纤维的高强度难于得到发挥.     

鱼形仿生柔性翼结构设计及优化

以锦鲤为生物原型,开展了鱼形仿生柔性翼结构设计及优化研究。通过循环水池实验,表征出锦鲤游动姿态;基于折纸结构,建立鱼形仿生柔性翼结构模型,研究其驱动载荷和振动幅值的特性。设计正交试验,分析鱼形仿生柔性翼结构设计的主要几何参数对其性能的影响规律,并通过周期性运动对其性能进一步分析。结果表明：结构外板厚度、结构内板厚度和隔板角度对驱动载荷和振动幅值的影响依次增大。仿生柔性翼外/内板厚度、隔板角度依次为0.7mm/0.3mm、75°,其摆动姿态和实际锦鲤摆动姿态的最大偏差是8.13%。且该结构的极限屈服幅度远大于试验的最大屈服幅度,回弹性能好。