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原文传递复合材料发动机罩的刚度优化设计

论文题名：	复合材料发动机罩的刚度优化设计
关键词：	复合材料;发动机罩;刚度优化设计
摘要：	发动机罩是车身外覆盖件中的重要部件。其外部造型设计主要考虑整车造型和空气动力学要求。作为外覆盖件,发动机罩不承载载荷,发动机罩的结构设计主要有刚度和轻量化要求,如今又增加了行人碰撞保护要求。　　夹芯结构在其它构件,尤其是在保险杠的应用中,已经显示出了同时兼顾刚度和轻量化及碰撞吸能要求的能力。夹芯板结构是典型的轻质高刚结构。作为夹芯板面板的碳纤维复合材料,相较其它常见材料,刚度更高密度更低,可以在保证刚度的同时,进一步实现轻量化。夹芯板中的夹芯在碰撞时可以吸能,以弥补轻量化后发动机罩动能转化不足。因此碳纤维夹芯板结构是一种在同时满足刚度、轻量化和行人碰撞保护方面非常有潜力的新型发动机罩结构。本文研究这种结构的性质,以钢制传统结构发动机罩为对比,对刚度和质量进行优化。　　对发动机罩进行优化,首先应确定发动机罩的评价体系,然后才可以选取一些评价指标作为优化目标和约束。当前对发动机罩静刚度的评价方法种类较多,因此需要对这些方法进行分析筛选和总结。当前有11种评价方法。选用钢制发动机罩、使用准各项同性铺层和一般各向异性铺层为面板的碳纤维发动机罩,共14个模型作为样本,使用这些评价方法计算,对计算结果回归分析,找出评价方法之间的关系,归类并筛选,得到4种静刚度评价方法,分别为弯曲载荷刚度,扭转载荷刚度,砰击载荷刚度和锁闩载荷刚度,确定了发动机罩静刚度评价体系。　　发动机罩的实际构造与理论中的夹芯板有一定区别。在初始设计的碳纤维发动机罩中,边框质量占整体的40％,而夹芯板理论中没有考虑边框的作用,因此使用实验设计,分析边框减重措施对整体刚度的影响。对边框采用改变结构和减薄壁厚两种方法减重。以边框结构、边框厚度、面板铺层组数作为因子,将4个静刚度指标作为响应,设计全因子实验,进行方差分析,得到各响应与各因子之间的关系。结果显示,同时使用两种减重措施,将使刚度有轻微的下降,但减重效果明显,因此选用质量最轻的边框,作为后续设计的基础。　　根据前述的静刚度计算结果,及14个模型的模态分析,发现碳纤维发动机罩相较钢制发动机罩刚度性能过剩,可以进一步轻量化。由于刚度和碰撞保护性能有一定的耦合,所以本文的优化为指定一个刚度作为约束,在这个刚度的基础上轻量化。使用遗传算法优化,以面板使用的铺层数量最少作为优化目标。　　针对铺层数量的优化,模仿生物遗传中的mRNA转录环节,提出了一种改进的遗传算法。通过abaqus软件计算简化模型,得到设计变量与优化目标值的函数关系。最终使用isight软件,调用各种软件,实现算法运行。优化结果与优化原型相比,铺层数量减少25％,证明了该改进算法有效。　　优化后的碳纤维发动机罩,相较刚度加强的钢制发动机罩,整体刚度提高1.5倍以上,相较轻量化的钢制发动机罩,减重50.8％。证明了该结构在刚度和轻量化方面的优点和潜力。而且利用改进的遗传算法,可在指定刚度的基础上,得到质量最轻的设计,可以以此为基础,设计满足行人碰撞保护的发动机罩。
作者：	李世春
专业：	车辆工程
导师：	杨世文;金达锋
授予学位：	硕士
授予学位单位：	中北大学
学位年度：	2014
正文语种：	中文