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碳纤维复合材料翼子板优化设计研究
| 论文题名： | 碳纤维复合材料翼子板优化设计研究 |
| 关键词： | 碳纤维复合材料;翼子板;优化设计;本构模型 |
| 摘要： | 碳纤维复合材料具有质量轻、比强度和比模量高、碰撞吸能性好等优点，已经成为汽车轻量化的重要材料。目前碳纤维复合材料汽车零部件的设计和优化处于研究阶段，对材料制造工艺性考虑不足，缺乏合理有效的优化设计方法，不能充分发挥碳纤维复合材料的优势。本文首先进行了平纹机织碳纤维复合材料的力学性能试验，建立了考虑材料拉压不对称的本构模型。基于有限元仿真分析技术，采用正向设计方法进行碳纤维复合材料翼子板的设计，并利用仿真结果验证结构的可靠性。在此基础上，分别进行碳纤维复合材料翼子板的结构尺寸优化和铺层优化，得到优化的碳纤维复合材料翼子板结构，为碳纤维复合材料汽车零部件的设计，提供可借鉴的方法和流程。本文主要研究工作如下： （1）进行了平纹机织碳纤维复合材料常温下准静态的拉伸、压缩以及剪切力学性能试验，了解材料的应力-应变关系，获取材料的弹性模量、基本强度、剪切模量等参数。试验结果表明该材料具有明显的拉压不对称性。根据试验结果和碳纤维复合材料宏观应力-应变关系，建立考虑材料各向异性和拉压不对称的本构模型。在ABAQUS软件中进行材料本构模型的程序化，为碳纤维复合材料零部件的设计和优化奠定基础。 （2）采用正向设计方法，结合有限元仿真分析技术，根据翼子板设计的结构要求和工艺性要求，进行碳纤维复合材料翼子板的结构设计，确定翼子板的结构形状、厚度尺寸以及铺层方式。建立碳纤维复合材料翼子板有限元模型，基于编写的材料本构模型，进行碳纤维复合材料翼子板的刚度、抗凹性等性能的仿真分析，验证翼子板设计结果的可靠性。 （3）利用改进的自由尺寸优化设计流程，进行碳纤维复合材料翼子板结构尺寸优化，得到满足制造工艺性和性能要求的碳纤维复合材料翼子板结构。在此基础上，将拉丁超立方采样和有限元技术相结合，构建拟合碳纤维复合材料翼子板性能与铺层方式函数关系的代理模型，并通过期望改进准则不断提高模型精度。基于构建的高精度代理模型，利用遗传算法进行碳纤维复合材料翼子板的铺层优化。优化后翼子板各性能满足要求，碳纤维复合材料翼子板的减重效果达到33.9％。 |
| 作者： | 程章 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 朱平 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 上海交通大学 |
| 学位年度： | 2015 |
| 正文语种： | 中文 |
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