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平纹编织碳纤维复合材料汽车发动机罩的可靠性优化设计
| 论文题名： | 平纹编织碳纤维复合材料汽车发动机罩的可靠性优化设计 |
| 关键词： | 汽车发动机罩;平纹编织碳纤维复合材料;优化设计;可靠性分析 |
| 摘要： | 随着我国经济、工业的发展，汽车的数量迅速增加，给人们的出行提供便利的同时，也带来了能源和环境问题。轻量化技术能够有效改善汽车所带来的相关问题。碳纤维复合材料具有密度低、强度高、吸能性好的特点，十分适合用于汽车轻量化设计。本文以汽车发动机罩作为研究对象，结合复合材料性能分析与发动机罩力学分析，将平纹编织碳纤维复合材料应用于发动机罩，并以轻量化为目标，基于结构可靠性理论和代理模型技术对复合材料发动机罩进行了优化设计。本文主要研究内容如下： 第一部分，进行了平纹编织碳纤维的等效性能预测和参数分析。首先，建立了微观纤维束代表单元和介观编织结构代表单元的模型，结合周期性边界条件分析预测编织复合材料宏观等效性能，并将计算结果与试验值对比，结果证明了所选代表单元模型和预测方法的有效性。其次，研究了细观结构参数对平纹编织复合材料宏观等效弹性性能的影响，结果显示，微观体积分数和介观纤维束长轴长度对宏观性能影响较大，纤维束短轴长度对宏观性能几乎没有影响。复合材料性能的研究分析为后续发动机罩仿真和设计参数的选择提供了数据基础。 第二部分，进行了发动机罩的多工况下性能响应分析。首先，分别建立钢材料和平纹编织碳纤维复合材料汽车发动机罩有限元模型，根据发动机罩性能要求添加静力工况刚度分析和模态分析的边界条件，并参考C-NCAP和相关法规标准建立行人头部冲击模型。然后，对比分析两种材质发动机罩的各静力工况下的刚度性能、模态性能、质量和行人头部保护性能，结果显示，复合材料发动机罩相比钢发动机罩，轻量化效果明显，并且在各项性能上均有一定的提升。 第三部分，进行了平纹编织碳纤维复合材料发动机罩的可靠性优化设计。考虑实际制造过程中产品结构参数存在波动，本文以可靠性设计优化方法对发动机罩进行优化。首先，以单层材料参数和铺层参数作为设计变量，利用拉丁超立方法进行抽样，并建立克里金模型。然后，针对复合材料发动机罩刚度、模态等性能的可靠度，基于序列优化与可靠性分析方法并结合克里金模型进行优化设计。最后，利用蒙特卡洛仿真验证结果的可靠性，并通过有限元仿真验证优化解的约束响应和行人保护效果。结果显示，优化后的碳纤维复合材料汽车发动机罩在保证可靠性的前提下具有良好的轻量化效果，同时能够改善行人保护效果，验证了本文复合材料发动机罩可靠性优化设计方法的有效性，为碳纤维复合材料应用于汽车零部件轻量化设计上提供了可借鉴的思路。 |
| 作者： | 赵鹏程 |
| 专业： | 机械 |
| 导师： | 陈振中 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 东华大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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