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玄武岩纤维前防撞梁结构优化设计
| 论文题名： | 玄武岩纤维前防撞梁结构优化设计 |
| 关键词： | 前防撞梁;玄武岩纤维复合材料;材料试验;铺层耦合;多目标优化 |
| 摘要： | 近年来，随着材料学技术的发展,越来越多的高性能材料（如铝合金、碳纤维、玻璃纤维、玄武岩纤维等）被逐渐的应用于结构设计中。它们不仅能够提升结构性能，而且还具有显著的轻量化效果。本文即以一款B字型玄武岩纤维复合材料前防撞梁为设计对象，经过材料试验获取仿真参数后，利用冲击模型进一步验证复合材料有限元模型建立的准确度。最终实现了铺层厚度和铺层顺序的同步优化方案，优化后前防撞梁兼具优异的碰撞性能和轻量化效果。 文章阐述了复合材料层合板理论基础以及多目标优化理论，为仿真以及多目标优化设计提供参考依据。 为获取仿真中所需的玄武岩纤维基本力学性能参数，依据相关国家标准，制作试验样件，测定弹性模量、强度、泊松比等指标。仿真中考虑应变率效率的影响，测定材料在不同高速拉伸试验应变速率下的应变应力关系。 建立了原钢制防撞梁碰撞分析模型，并进行低速碰撞仿真，提取了碰撞指标值。依据等刚度替换的原则，确定玄武岩纤维防撞梁的基本厚度。建立了前防撞梁不同部位的局部坐标系，并调整单元法向，定义了纤维铺层朝向，完成了玄武岩纤维复合材料梁的建模过程。进行低速碰撞仿真并提取了碰撞指标值。对比落锤冲击有限元模型仿真结果与真实落锤试验结果，验证复合材料前防撞梁有限元模型建立的准确度。 根据铺层厚度与铺层方式的耦合问题，提出了一种利用代码自动识别的定长变量多厚度方案。该方案引入了有效铺层与铺层判定的概念，保证了铺层厚度与顺序的同步优化。 对碰撞指标值进行分析，初步确定铺层厚度范围，利用高斯过程回归建立了不同厚度的代理模型，结合第三代非劣解遗传算法进行以碰撞侵入量、峰值碰撞力为目标，最大连续铺层数、碰撞吸能量为约束的多目标优化，并确定了一组最后的铺层方案。最后，将优化确定的玄武岩纤维复合材料前防撞梁与原传统钢制防撞梁、碳纤维复合材料前防撞梁从性能、质量、成本价格等方面进行了综合分析。 |
| 作者： | 徐森 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 陈静 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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