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                        碳纖維發動機蓋設計(帶設計模型)

                        添加時間:2018/08/07 來源:吉林大學 作者:李欣然
                        碳纖維是一種具有比較理想性能的先進復合材料,在汽車工業的實踐中,碳纖維復合材料有著極其廣闊的應用前景,對汽車的輕量化有著重要意義,有利于汽車的節能減排的實現,對緩解目前資源緊缺、人與資源以及環境的矛盾有著重大意義。
                        以下為本篇論文正文:

                        摘要

                          隨著經濟社會的發展,環境以及能源的難題日益嚴峻,甚至限制了人類未來的經濟社會發展。因此,如何開發新能源,高效的使用現有能源從而節能減排已成為全社會的共識。對于汽車工業來說,對汽車車身進行優化設計以降低整車質量可以有效優化整車的能源消耗,從而達到節能目的。

                          碳纖維是一種軸向強度以及軸向模量高、低密度、沒有蠕變,非氧化環境下耐超高溫以及耐疲勞性好、熱膨脹系數小且耐腐蝕性好,X 射線透過性好等等優點的先進纖維復合材料,與此同時,碳纖維還具備高效率回收和有利于環保的特點,有利于實現降低碳排放的目的。

                          在汽車行業中,各類纖維復合材料在汽車工業中的應用日益廣泛,而碳纖維復合材料作為其中的主力材料也陸續涌現出越來越多的運用實例,逐漸成為汽車輕量化的主力材料,因此,本文采用碳纖維復合材料作為優化設計的材料。

                          針對碳纖維復合材料的材料特性以及本文的研究內容和目標,本文開展了如下研究工作:

                          1) 對作為參考基準的鋼制發動機蓋使用 CATIA 進行建模,然后進行有限元網格劃分,得到可用于后續模擬仿真的有限元模型。

                          2) 對得到的鋼制發動機蓋有限元模型使用 HyperMesh 加載特定的約束、應力以及具體工況,使用 RADIOSS 求解器以靜力分析的方式對該模型進行初步分析并得出相關參數,這些參數是后續優化設計的參考基準。

                          3) 對原鋼制發動機蓋模型部分內板結構進行再處理,以一個完整平面代替之前鋼制發動機蓋的具體設計結構,然后對補面之后的發動機蓋有限元模型加載具體工況,設定約束邊界條件參數以及拓撲優化和形貌優化參數,設置優化設計目標,最后使用 OptiStruct 進行具體的拓撲優化以及形貌優化運算。

                          4) 根據得到的應力以及位移云圖進行碳纖維發動機蓋內板的具體設計工作,由具體的優化設計目標選取優化方案。

                          針對得到的優化方案根據國標 GB/T 24550-2009 的要求,使用 LS-DYNA 進行頭模碰撞仿真分析,得出 HIC 值,根據計算出的結果評估設計方案的行人保護性能。

                          本文旨在對碳纖維復合材料在汽車工程上的應用,尤其是在汽車外覆蓋件上的應用做出有益的探索,為今后在該領域的研究以及設計提供參考依據。經過具體的研究之后,驗證了碳纖維復合材料應用在發動機蓋設計上的可行性,并且實現了在性能有所提升或至少不低于原鋼制發動機蓋的基礎上取得明顯的輕量化效果,同時具備符合相關法律法規要求的行人保護性能。

                          關鍵詞:輕量化,碳纖維,發動機蓋,拓撲優化,行人保護

                        Abstract

                          The lacking of fuel and the pollution of the natural environment become much more rigid than ever before along with the marching forward pace of the human society. It even limits the sustainable development of human race. So, it has become a common sense of the mankind to research on new kinds of energy and the way to make full use of current resources with better efficiency to fulfill the target of reducing fuel consumption. As for the automotive industry, to optimize the structure of the auto body and make it lighter is quite an effective way to reach the goal of saving energy.

                          Carbon fiber reinforced plastics is a new kind of advanced fiber composite material with the outstanding characteristics of high axial modulus, low density, no creep, great fatigue durability under ultra high temperature under non-oxidizing atmosphere, low thermal expansively, excellent corrosion resistance, friendly for X-ray. Meanwhile, CFRP is also with the features of recyclable, friendly to the environment to achieve reducing carbon emission.

                          In the industry of automobile, various of fiber composite material are being used in a wider and wider range. CFRP, as the main stream material to achieve lightweight of auto body among them has also creating more and more actual cases. Therefore, CFRP is chosen as the target material of this paper.

                          According to the material features of CFRP and the research content of this paper, the researching actions are listed below:

                          1) To create CAE model of steel car bonnet with CATIA and then mesh it with FEM to get the FE model for the following research.

                          2) To load constraints, forces and operating modes required to the FE model with HyperMesh. RADIOSS it on statical analysis to get parameters as criterion of following research.

                          3) Replace part of the original inner board structure of the steel one with a new shell as the design area and load working modes to the reformed FE model accomplished in the previous step, set boundary conditions, parameters of both topology and topography optimizations as well as optimizing objects. Operate it with OptiStruct after it.

                          4) To redesign the designing area in reference with what’s shown in the stress and displacement cloud maps. Select the best fitted designing option with the optimizing objects.

                          5) To launch head crash simulated analysis according to the detail requirement listed in the national standard of GB/T 24550-2009 with LS-DYNA to figure out HIC index.Evaluate their pedestrian protecting capabilities with those HIC index.

                          The paper is aiming at the usage of CFRP in the field of automotive industry, especially automotive panels to provide references for future research and development in this field. My research proved the flexibility of CFRP to be used in the engine hood. Those optimizing options are able to gain considerable lightweight result under the major premise of a non-inferiority performance than the original steel one. Those options meet the pedestrian protecting capabilities as it is required in the law.

                          Key words:Light weight, CFRP, Topology optimization, Topography optimization, Pedestrian protection

                          近幾十年來,隨著人類經濟社會的日益發展,各類工業消費品的需求早已今非昔比。隨著全球環境日益惡化,化石燃料等等不可再生能源的消耗量與日俱增,使得人口、資源、環境之間的矛盾日益激烈,時刻牽動著社會方方面面的神經。

                          2016 年全球石油消費漲幅達到了 1.9%,是近期歷史平均值的近兩倍,為 190 萬桶/天,而石油在全球能源消費中的比重達到了 32.9%[1],石油消費量以及產量穩步提高。據估算,地球上的石油資源僅可供繼續開采 46 年,如下圖 1.1 所示,伴隨能源消耗日益增加,全球的碳排放量正逐年增加,因此節能減排的重要性比人類歷史上任何時期都重要,所以我們更應該高效利用現有資源同時不斷開發可再生能源。雖然新能源汽車發展勢頭迅猛,但是當代汽車仍然以化石燃料所煉化的油料為主要燃料,汽車在為人們生活提供便利的同時對生態環境亦造成了一定的負面影響。近二十年隨著中國經濟社會的飛速發展,汽車的生產和消費也突飛猛進,中國于2009 年超過了美國成為全球汽車產銷量第一大國[3]。

                          而在2016年,2811.9萬輛和2802.8萬輛的產量和銷量創歷史新高,比 2015 年同期分別取得了 14.5%和 13.7%的增長,這一漲幅高于 2015 年同期 11.2%和 9.0%?梢姽澞軠p排對于中國汽車工業的重要性。

                          對于汽車而言,理論以及實驗表明,汽車重量降低 1%,油耗可降低 0.7%;而整車重量每降低 10%就能取得燃油效率 6%~8%的提高幅度;整車質量每減少 100 公斤,每一百公里油耗可降低 0.3~0.6 升。因此在全球節能減排已成為公認未來趨勢的大背景下,盡最大可能優化整車質量從而降低能耗也就成了汽車行業的必由之路。

                          在今天的汽車工業實際應用中,碳纖維復合材料的使用呈越來越多的趨勢,主要用在以跑車以及豪華車上面。對于本文所研究的發動機蓋而言,使用碳纖維復合材料相對于鋼制件的減重幅度可達 40%~60%,相對于鋁合金材質的減重幅度也有 20%到30%。而對于產量巨大的平民汽車而言,由于生產、技術、成本等原因,碳纖維汽車零部件很少,仍然是傳統鋼制件占絕大多數,導致汽車輕量化容易遇到瓶頸,再加上我國的碳纖維汽車產業相較于傳統汽車工業強國而言還是比較落后,相關的應用也并不常見,因此對于碳纖維材質汽車零部件以及車身的研究就更具必要性。

                          通過本文對國內外研究現狀與現有技術水準以及行業新動態的分析,以及針對碳纖維發動機蓋設計的研究,探究方案實施的可行性并為今后復合材料在汽車工程上的應用提供參考。與此同時,這種設計理念以及思路也可以應用在其他工程領域。本課題來源于某汽車企業實際項目,具有實際的應用背景以及潛在的量產可能,進而由本文發展開來討論碳纖維復合材料在我國汽車產業中在車身外覆蓋件上大范圍使用的前景。

                          根據本課題的研究目標以及要求,結合以往關于本課題的相關研究,本文的研究內容如下:

                          1) 在不同工況下對原鋼制發動機蓋的靜態特性進行分析。

                          2) 根據碳纖維符合材料的特點對發動機蓋內板結合具體工況分析其靜態受力特性進行針對性優化設計。

                          3) 以不同的優化參數為目標,得出幾種碳纖維發動機蓋設計方案。

                          4) 對幾個碳纖維發動機蓋設計方案和原鋼制件做對比,分析優化效果。

                          5) 對幾個設計方案做頭模碰撞仿真分析,驗證新方案是否滿足行人保護標準,然后綜合上一步對比結果以及 HIC 值選取最優方案。

                          碳纖維發動機蓋設計模型演示:

                        補面之后的發動機蓋內板模型
                        補面之后的發動機蓋內板模型

                        鋪層方案
                        鋪層方案

                        內板鋪層
                        內板鋪層

                        方案一·單層厚度為 0.3mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖
                        方案一·單層厚度為 0.3mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖

                        方案二·單層厚度為 0.25mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖
                        方案二·單層厚度為 0.25mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖

                        方案三 單層厚度為 0.3mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖
                        方案三 單層厚度為 0.3mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖

                        方案四 單層厚度為 0.25mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖
                        方案四 單層厚度為 0.25mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖

                        方案五 單層厚度為 0.3mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖
                        方案五 單層厚度為 0.3mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖

                        方案六 單層厚度為 0.25mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖
                        方案六 單層厚度為 0.25mm 時內板設計區域變形云圖以及設計圖

                        目錄

                          第 1 章 緒論
                            1.1 論文研究背景
                            1.2 國內外研究現狀
                              1.2.1 碳纖維復合材料國內研究現狀
                              1.2.2 碳纖維復合材料國外研究現狀
                            1.3 行人保護發動機蓋國內外研究現狀
                            1.4 本文的主要研究意義和研究內容
                              1.4.1 本文的主要研究意義
                              1.4.2 本文的主要研究內容
                          第 2 章 復合材料力學以及有限元分析基礎
                            2.1 復合材料定義
                            2.2 單層板與層合板的定義和特點
                            2.3 各向異性彈性力學基本方程
                            2.4 有限元理論基礎
                              2.4.1 有限元分析定義
                              2.4.2 有限元法應力分析步驟
                            2.5 本章小結
                          第 3 章 發動機蓋有限元模型建立以及性能分析
                            3.1 概述
                              3.1.1 發動機蓋的作用以及結構
                            3.2 有限元分析基本步驟
                            3.3 鋼制發動機蓋建模
                              3.3.1 建立發動機蓋有限元模型
                              3.3.2 加載材料屬性
                              3.3.3 發動機蓋分析工況
                            3.4 鋼制發動機蓋初步分析
                              3.4.1 HyperWorks 軟件中 RADIOSS 以及 OptiStruct 求解器介紹
                              3.4.2 鋼制發動機蓋自由模態分析
                              3.4.3 鋼制發動機蓋靜力分析
                            3.5 本章小結
                          第 4 章 碳纖維發動機蓋設計
                            4.1 初始碳纖維發動機蓋建模
                            4.2 碳纖維發動機蓋參數選取
                              4.2.1 鋪層方案
                              4.2.2 碳纖維單層厚度選取
                            4.3 碳纖維發動機蓋內板優化設計方法
                              4.3.1 拓撲優化基本理論
                              4.3.2 形貌優化基本理論
                            4.4 碳纖維發動機蓋內板設計方案
                              4.4.1 碳纖維發動機蓋內板優化目標
                              4.4.2 剛度最大
                              4.4.3 質量最小
                              4.4.4 一階模態優化
                            4.5 數據對比以及優化結果分析
                            4.6 本章小結
                          第 5 章 碳纖維發動機蓋行人保護性能驗證
                            5.1 概述
                            5.2 模擬仿真實施方案
                              5.2.1 汽車行人保護性能法規
                              5.2.2 頭部沖擊器規格
                              5.2.3 頭型沖擊測試規定
                              5.2.4 頭部傷害指標 HIC 值的定義
                              5.2.5 模擬頭部碰撞仿真試驗結果評定標準
                              5.2.6 模擬頭部碰撞的碰撞點選取
                            5.3 頭部碰撞模擬仿真結果
                              5.3.1 LS-DYNA 軟件介紹
                              5.3.2 各個設計方案以及原鋼制發動機蓋頭部碰撞仿真模擬結果
                              5.3.3 頭部碰撞仿真模擬結果對比分析
                            5.4 本章總結
                          第 6 章 總結與展望
                            6.1 全文總結
                            6.2 課題展望
                          參考文獻
                          作者簡介及在學期間取得的研究成果
                          致 謝

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