基于OptiStruct的碳纤维复合材料铺层优化设计

    1 概述

    自1953 年世界第1 台纤维增强复合材料汽车——GM Corvette 制造成功以后，复合材料正式在汽车工业生产中登上历史舞台。发展至今，CFRP 成为目前公认的汽车用复合材料未来发展趋势。德国宝马公司是CFRP 在汽车领域应用的先驱，其在2008 年宣布把CFRP带入汽车主流材料；2011 年，法兰克福车展首次发布i3 电动概念车和i8 混动概念跑车；2014 年，批量化生产i3 和i8 系列纯电动车在全球正式上市，为碳纤维产品在通用汽车领域的商业化普及应用迈出了重要的一步。2015 年7 月1 日，全新第六代BMW 7 系汽车在丁格芬工厂正式投产，该车型所有创新都始终贯穿着车辆整体轻量化的概念，是宝马核心产品中第一款实现将工业制造的碳纤维材料、高强度钢材和铝材完美组合应用到车身的车型。

    复合材料有着比强度高，比刚度大，成型工艺性好及可设计性等优良性能，是汽车工业轻量化道路上的主要材料之一。复合材料比较活跃的应用于汽车领域，可用作汽车车身、驱动轴、保险杠、底盘等上百个部件，研究复合材料在汽车领域前景广泛，意义重大。

    2 金属结构的性能分析

    2.1 金属结构刚度分析

    以等刚度原则对CFRP 进行铺层厚度优化设计，需要对车身钣金加强件进行刚度分析，得出刚度性能指标，为复合材料铺层厚度优化提供性能指标输入。车身钣金加强件模型如图1 所示，其材料为HC340LAD+Z，材料参数为：弹性模量E=2.1×105MPa，泊松比NU=0.3，密度RHO=7.8×10-3g/mm3，钣金厚度为1mm，结构总质量为8kg。

    图1 车身钣金加强件结构模型

    分析原车身钣金加强件的自由模态、轴向压缩、轴向拉伸、侧向弯曲、垂向弯曲、扭转工况，对该金属结构的刚度特性进行初步判断，分析结果如表1所示，刚度分析结果将作为复合材料铺层厚度优化的约束条件。

    表1 车身钣金加强件刚度分析结果

    2.2 金属结构三点弯强度分析

    根据该钣金加强件的受力特征，需要对此结构进行三点弯强度分析。应用某动力学软件对该金属结构进行3 点弯曲低速冲击分析，以刚性圆柱作为压头，施加-Z 向的强制位移100mm，设置金属材料的失效应变为0.22。金属结构的位移云图2 所示，由于金属结构具有良好的延展性，金属加强板腹板向两边滑动，加载位置的整个顶面完全塌陷。