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基于碳纤维复合材料特性的下摆臂结构轻量化设计
| 论文题名： | 基于碳纤维复合材料特性的下摆臂结构轻量化设计 |
| 关键词： | 碳纤维复合材料;下摆臂结构;轻量化设计;流动特性;注塑成型 |
| 摘要： | 随着工业技术的发展，对于能源的消耗日益剧增，迫使各国进行相应的改变。而汽车行业则首当其冲需要做出改变。汽车的轻量化成为了汽车行业发展改变的关键技术之一，并且结构复合材料化是轻量化的必然趋势。目前对于复合材料的特性研究较多，但是没有针对特性进行注塑结构轻量化设计的。本文就基于碳纤维复合材料流动特性，对结构轻量化设计进行研究并整理成一种方法，最后对下摆臂结构进行轻量化设计。 首先本文的研究是基于复合材料的特性为引导，完成对复合材料的结构力学性能研究；同时进行纤维在流动场中的分布规律ψ(θ,φ,t)研究。通过分布规律发现，在流动场中纤维会趋向于流动方向，并且随着剪切速率增大，纤维取向集中性越强，使得纤维分布方向较为统一。 其次在映射理论的研究下，构建一种材料-结构映射方法。本方法可以将材料基本性能参数模型、纤维在结构流场中的纤维分布模型以及结构本身所需要进行的力学分析模型，这三者独立模型进行叠加映射到一个结构分析模型中，使得这个模型能够完成复合材料结构的相关分析。 同时设计了一种基于纤维流动分布的结构优化方法。首先是在注塑流动场中，剪切速率γ的变化会带来纤维分布的变化，并以此规律为基础，进一步通过数学演算发现，γ的变化又与结构截面面积的变化有关，而截面面积通过等效替代变化，就转化成N个面积为s的截面形式，通过最终的计算，形成了一种min m(ι,N)的优化理论。该理论能够有效地利用了复合材料的流动特性，并且以此来指导结构优化。并且以这个理论为核心，设计形成一个结构优化的方法。该方法是以在拓扑优化的基础上，构建简单桁架结构，并对结构截面进行优化处理，通过迭代从而获取最佳的截面形式，以完成结构的优化。 最后通过该方法对下摆臂进行结构轻量化设计分析，充分的考虑碳纤维复合材料的流动性能之后，通过min m(ι,N)来设计并促成ι以及N变量的优选，完成了优化设计任务。最后与对标铝材结构进行对比，在性能上，复合材料优化出来的结构性能达到了同铝材结构性能相当的水平，但是复合材料结构的重量要比铝材结构的减重20％左右。因此完成下摆臂的复合材料注塑成型分析，实现了下摆臂轻量化的设计。结合复合材料性能、新结构、成型工艺的轻量化在下摆臂的结构优化过程中得以实现。 |
| 作者： | 汪冬冬 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 聂昕 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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