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复合材料悬架横臂的优化设计

作　者: 高希
导　师: 杨世文；金达锋
学　校: 中北大学
专　业: 车辆工程
关键词: 悬架摆臂复合材料优化设计轻量化
分类号: U465.6
类　型: 硕士论文
年　份: 2014年
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内容摘要

汽车轻量化设计是一种有效的达到节能减排的手段。而悬架横臂质量减轻可以有效减少簧下质量，提高舒适性。碳纤维复合材料是一种新型材料，其密度小，比模量高。本文主要研究如下：结合麦弗逊前悬架摆臂的特点，探讨碳纤维复合材料摆臂的设计方案。该方案是以复合材料初始设计为基础、结合结构拓扑优化与铺层厚度优化的设计方案。本文以金属(铸铝)横臂模型的刚度指标为设计约束，对复合材料横臂进行等刚度设计，在满足刚度目标的条件下，以体积最小为设计目标，对复合材料臂进行优化设计。首先确定麦弗逊悬架三个极限工况：紧急制动工况、转弯工况、路面垂直冲击工况的横臂载荷的大小，以铸铝材料为模型原型进行有限元分析，算出载荷施加点的位移大小，得出刚度参数。由复合材料初始铺层设计原则，知0度方向铺层抵抗拉压，45度铺层抵抗剪切。三个工况下，载荷对材料产生的力学效果不同，根据载荷大小的比例，得出铺层角度0度、45度、90度的比例。再利用optistruct的复合材料超级层模块这一工具，根据刚度位移约束，结合复合材料制造工艺要求，进行初始铺层层数设计。然后在该设计数据基础上进行结构拓扑优化，找到最佳质量分布。再重构几何，对新的几何，作以金属臂的刚度为约束，质量最小为设计目标，每一层的厚度为设计变量，进行铺层厚度尺寸优化。最后将优化后的复合材料悬架横臂与原型金属材料横臂进行质量比较，结果表明等代设计的复合材料臂不仅质量上更轻，刚度也更好。因此本文这一套复合材料横臂的设计与优化方法可以给其他复合材料结构工程应用提供一定参考。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-10
1 绪论  10-17
  1.1 论文的研究背景  10-16
    1.1.1 汽车轻量化  10-11
    1.1.2 碳纤维复合材料的应用  11-12
    1.1.3 摆臂的轻量化的意义及研究现状  12-16
  1.2 研究对象概述  16
  1.3 论文的主要研究内容  16-17
2 复合材料力学力学基础  17-31
  2.1 碳纤维复合材料简介  17-18
    2.1.1 复合材料的组成  17
    2.1.2 复合材料的构造  17-18
  2.2 单层板理论介绍  18-21
    2.2.1 单层板的平面应力  18-20
    2.2.2 单层板的强度理论  20-21
  2.3 复合材料的层合板介绍  21-23
    2.3.1 复合材料层合板理论的基本假设  21
    2.3.2 经典层合板的刚强度分析  21-23
  2.4 层合板的设计  23-27
    2.4.1 层压板铺层设计主要原则  24-25
    2.4.2 层合板设计方法  25
    2.4.3 变厚度层合板设计  25-27
  2.5 碳纤维复合材料结构件加工工艺  27-31
    2.5.1 复合材料材料选择应考虑的问题  27-28
    2.5.2 纤维  28
    2.5.3 热固性聚合物  28-29
    2.5.4 压缩成型  29
    2.5.5 树脂传递成型  29
    2.5.6 反应注射成型  29-30
    2.5.7 纤维缠绕  30-31
3 有限元理论与结构分析相关软件介绍  31-43
  3.1 引言  31-32
  3.2 有限元单元法的基本理论介绍  32-34
  3.3 有限元相关单元介绍  34-37
  3.4 有限元软件的介绍  37
  3.5 Optistruct 优化流程与理论  37-43
    3.5.1 复合材料超级层优化  38-39
    3.5.2 内部优化流程  39-40
    3.5.3 灵敏度分析  40-41
    3.5.4 近似模型拟合  41-42
    3.5.5 寻优策略  42
    3.5.6 全局搜索功能  42-43
4 悬架横臂的等代设计  43-56
  4.1 悬架横臂的结构形式  43-45
  4.2 摆臂的设计原则  45-46
  4.3 麦弗逊悬架摆臂的分析工况  46-50
    4.3.1 垂直冲击工况  46-47
    4.3.2 制动工况  47-49
    4.3.3 转向工况  49-50
  4.4 摆臂的边界条件  50
  4.5 金属摆臂的刚度计算  50-56
5 复合材料横臂的优化设计  56-75
  5.1 复合材料臂的连接  56-58
  5.2 复合材料臂建模与网管划分  58-60
  5.3 建立复合材料局部坐标系  60-62
  5.4 复合材料摆臂层合板初步设计  62-67
  5.5 几何结构拓扑优化  67-68
  5.6 几何重构及网格划分  68-69
  5.7 横臂铺层厚度优化  69-74
  5.8 小结  74-75
6 结论与展望  75-77
  6.1 总结  75-76
  6.2 展望  76-77
参考文献  77-80
硕士期间发表的论文  80-81
致谢  81-82

复合材料悬架横臂的优化设计

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