汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法技术

本发明专利技术公开了一种汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法,为克服现有技术存在有限元整车碰撞模型计算时间过长及解决碳纤维增强复合材料铺层厚度、铺层角度与铺层顺序设计的问题，所述的优化设计方法的步骤为：1.从整车有限元模型中解耦B柱子结构；2.碳纤维增强复合材料B柱加强板优化：1)B柱加强板静态工况建立；2)碳纤维增强复合材料B柱加强板静态工况铺层优化:(1)拓扑优化；(2)尺寸优化；(3)顺序优化；3)B柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算：(1)改进B柱加强板；(2)对带有优化后碳纤维增强复合材料B柱加强板的模型进行模拟仿真与分析；(3)查看优化后B柱与原车型中的B柱的对比数据。

Optimization design method of carbon fiber reinforced composites for automobile B column stiffener

The invention discloses an optimum design method for carbon fiber reinforced composite material of automobile B-pillar stiffener plate. In order to overcome the long calculation time of finite element vehicle collision model existing in the prior art and solve the problems of thickness, angle and sequence design of carbon fiber reinforced composite lamination, the steps of the optimum design method are as follows: 1. Decoupling the B-column structure from the vehicle finite element model; 2. Optimization of CFRP B-column stiffener plate: 1) Establishment of B-column stiffener plate under static condition; 2) Optimization of laying of CFRP B-column stiffener plate under static condition: (1) Topology optimization; (2) Dimension optimization; (3) Sequential optimization; 3) Optimization of B-column stiffener plate under decoupling condition Verification calculation under structural dynamic condition: (1) Improve the B-column stiffener; (2) Simulate and analyze the model of B-column stiffener with optimized CFRP; (3) View the comparison data between the optimized B-column and the original B-column.

【技术实现步骤摘要】
汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法
本专利技术涉及汽车被动安全性研究领域中的一种设计方法，更确切地说，本专利技术涉及一种汽车B柱子结构解耦以及汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法。
技术介绍
随着能源的紧缺以及新能源汽车的兴起，轻量化已经成为当前汽车行业中不可或缺的研究内容。现今主要乘用车轻量化设计方式包含：采用拓扑等方式对于车身部件进行结构设计、高强度钢的大量应用、轻质金属以及高分子材料、陶瓷材料和复合材料等非金属材料的使用。其中，碳纤维增强复合材料凭借其密度低、比强度高和工艺性好等优点，已经在复合材料车身结构中有初步使用，如BMWi7B柱在金属结构的关键部位局部附加碳纤维增强复合材料，构成复合结构的做法，既能充分发挥碳纤维增强复合材料的优势，同时可降低成本，减少用量，是目前自主品牌汽车中对于碳纤维增强复合材料的主要应用发展方向。为适应当前社会发展中所需的更高的抗撞性和轻量化要求，并且随着碳纤维增强复合材料成型技术的不断发展，碳纤维增强复合材料将会在汽车车身结构中有更为广泛的应用。然而当前于车身轻量化研究中大多只是对传统金属材料进行简单替换，对抗冲击性能不满足部位通常采用增加板厚等方式以满足要求。但这种方式没有充分利用复合材料可设计性能，并且轻量化效果不明显，有必要对碳纤维增强复合材料进行材料-结构一体化设计。B柱结构为汽车车身在侧面碰撞情况中的主要吸能和承力部件，也是垂直方向构成传力路径的部件，它可以将力向上传递给车顶盖纵梁，力再通过车顶支撑横梁进行横向传递。其抗撞性能是在侧面碰撞工况下决定对人体造成伤害大小的最为关键的因素，B柱所受到的变形情况将会对整个车辆的侧面方向结构都会产生一定量的影响。侧面碰撞时人体的伤害主要是由于头、胸、脊椎以及骨盆部位的冲击所造成的不可逆转的伤害。若其不具有足够的刚度，则将会造成较为严重的伤亡情况，综上所述，在侧面碰撞情况中，对于B柱结构的研究，具有很重要的意义。碳纤维增强复合材料B柱加强板优化目的在于充分利用纤维增强复合材料的比强度好、比模量高、耐腐蚀、抗疲劳等优点，其铺层厚度、角度以及顺序对于材料性能都具有至关重要的关系，现将拓扑优化、尺寸优化以及顺序优化应用到碳纤维增强复合材料B柱加强板优化中以达到汽车轻量化效果。另一方面，目前由于计算机性能的限制，整车碰撞模型计算时间过长，影响效率；而往往当前所存在的子结构解耦方法所实现的子结构模型与整车中的侵入量以及侵入速度曲线拟合程度低。本文所提出的解耦方法可以较为准确地将整车中的复杂碰撞情况进行简化，大大节约了计算时间，提高计算效率。通过进行国内外相关文献检索，未发现有类似的解耦及碳纤维增强复合材料B柱加强板参数优化分析方法。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的有限元整车碰撞模型计算时间过长及解决碳纤维增强复合材料铺层厚度、铺层角度和铺层顺序设计的问题，提供了一种汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法。为解决上述技术问题，本专利技术是采用如下技术方案实现的：所述的汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的步骤如下：1)从整车有限元模型中解耦B柱子结构；2)碳纤维增强复合材料B柱加强板优化：(1)B柱加强板静态工况建立；(2)碳纤维增强复合材料B柱加强板静态工况铺层优化:A.拓扑优化；B.尺寸优化；C.顺序优化；(3)B柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算。按照技术方案中所述的从整车有限元模型中解耦B柱子结构是指：1)根据原有整车侧面碰撞模型，保留与B柱相连接的部件来保证其变形情况的准确性，即门槛梁、侧围板、顶盖横梁、车门管状防撞梁，再加上B柱结构作为子结构模型；2)采用与B柱相连接部件中与B柱相连接位置接近的区域以及侧面碰撞台车缓冲蜂窝铝最前端表面作为碰撞参考点，进行侧面碰撞有限元计算，通过Ls-prepost后处理软件提取碰撞参考点的位移-时间曲线数据；3)将提取出的曲线数据通过MATLAB编程软件转化为Ls-dyna仿真计算软件可识别的数据信息，再通过文本编辑器导入简化后只保留B柱和其周围部件以及侧面碰撞台车前端的子工况模型的计算k文件，便准确模拟整车侧面碰撞情况。按照技术方案中所述的B柱加强板静态工况建立是指：(1)结构简化根据已有B柱加强板结构形状的几何尺寸，将B柱加强板厚度设定成统一初始厚度，并且保留整车模型中原金属B柱加强板中的形状结构参数，将简化结构中预留出螺栓固定孔结构，并进行其网格质量检查；(2)碳纤维增强复合材料B柱加强板的建立a.将即将优化的部件B柱加强板更改为碳纤维增强复合材料，根据经验进行铺层角度、铺层顺序、铺层厚度设定，使其于碰撞仿真中可以保持原抗撞性能，将此铺层信息作为接下来优化的初始参数；b.由于B柱加强板皆为设计区域，故采用8号各向异性材料模型创建铺层形成层合板结构，属性定义针对设计区域设置选取PCOMPP，由于Optistruct优化软件只能对材料进行减薄而不具备增厚的功能，故需建立所谓的初始厚度较厚的超级层，该超级层的厚度通过初始优化参数进行设置；(3)加载的设置提取B柱模型的抗冲击性仿真中的B柱加强板最大相对位移来计算所需等效力的数值，将其加载在与碰撞台车相接触的B柱加强板结构优化模型中，并按照加载点的个数，将等效力进行平均分配加载；根据x、y、z轴的力的数量级进行合理忽略简化，所得的静态仿真模型可以与动态仿真模型获得较好的位移拟合结果，之后在此基础上进行静态优化仿真模拟。按照技术方案中所述的拓扑优化是指：a.定义设计变量,对于拓扑优化首先创建变量，定义质量和参考点位移两个响应，二者分别作为优化响应和约束响应；创建约束，将参考点位移响应作为约束，设置约束上限值，将质量最小定义为优化目标；b.调整优化控制参数，包括最大允许迭代次数、目标容差值以及优化步长；c.定义控制卡片，在此处需要在控制卡片部分定义OUTPUT(输出)卡片关键字为FSTOSZ(一种类型关键字)，然后保存或输出文件；d.最后进行检查，如果没有错误信息则可开始进行优化,优化结束后查看结果文件，在HyperView中打开优化结果文件检查单元厚度。按照技术方案中所述的尺寸优化是指：a.为保证铺层信息的正确传递，单个方向的厚度信息以铺层形状的形式进行输出，首先重新设置控制卡片，删除“OMIT”卡片，将一种类型关键字FSTOSZ改为另一种类型关键字SZTOSH；b.编辑层合板Laminate参数，将层合板形式设置为Total,分别定义每层尺寸变量，确保修改每层厚度上限，将不能修改的规整为相近整数,依旧将参考点位移值作为约束条件，优化目标仍然是质量最小；c.指定可加工的厚度的值,在优化设置后进行检查优化，并查看铺层厚度和数目。按照技术方案中所述的顺序优化是指：对于复合材料来说，铺层顺序与其层合板的各向异性力学性能以及工艺可行性都有着紧密的联系，复合材料铺层顺序的变化会影响其结构的整体性能。在计算最优的层叠次序之前，首先对铺层顺序变量设置制造约束，定义0度、90度、45度和-45度四个方向铺层最多可以有2层相同铺层连续出现；+45度和-45度成对出现来保证对称性，最大限度避免层间应力的产生，优化约束和优化目标不变，最后进行铺层顺序优化；检查输出的结果文件，在浏览器中查看本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法，其特征在于，所述的汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的步骤如下：1)从整车有限元模型中解耦B柱子结构；2)碳纤维增强复合材料B柱加强板优化：(1)B柱加强板静态工况建立；(2)碳纤维增强复合材料B柱加强板静态工况铺层优化:A.拓扑优化；B.尺寸优化；C.顺序优化；(3)B柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算。

【技术特征摘要】
1.一种汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法，其特征在于，所述的汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法的步骤如下：1)从整车有限元模型中解耦B柱子结构；2)碳纤维增强复合材料B柱加强板优化：(1)B柱加强板静态工况建立；(2)碳纤维增强复合材料B柱加强板静态工况铺层优化:A.拓扑优化；B.尺寸优化；C.顺序优化；(3)B柱加强板优化结果于解耦子结构动态工况下验证计算。2.按照权利要求1所述的汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法，其特征在于，所述的从整车有限元模型中解耦B柱子结构是指：1)根据原有整车侧面碰撞模型，保留与B柱相连接的部件来保证其变形情况的准确性，即门槛梁、侧围板、顶盖横梁、车门管状防撞梁，再加上B柱结构作为子结构模型；2)采用与B柱相连接部件中与B柱相连接位置接近的区域以及侧面碰撞台车缓冲蜂窝铝最前端表面作为碰撞参考点，进行侧面碰撞有限元计算，通过Ls-prepost后处理软件提取碰撞参考点的位移-时间曲线数据；3)将提取出的曲线数据通过MATLAB编程软件转化为Ls-dyna仿真计算软件可识别的数据信息，再通过文本编辑器导入简化后只保留B柱和其周围部件以及侧面碰撞台车前端的子工况模型的计算k文件，便准确模拟整车侧面碰撞情况。3.按照权利要求1所述的汽车B柱加强板碳纤维增强复合材料优化设计方法，其特征在于，所述的B柱加强板静态工况建立是指：(1)结构简化根据已有B柱加强板结构形状的几何尺寸，将B柱加强板厚度设定成统一初始厚度，并且保留整车模型中原金属B柱加强板中的形状结构参数，将简化结构中预留出螺栓固定孔结构，并进行其网格质量检查；(2)碳纤维增强复合材料B柱加强板的建立a.将即将优化的部件B柱加强板更改为碳纤维增强复合材料，根据经验进行铺层角度、铺层顺序、铺层厚度设定，使其于碰撞仿真中可以保持原抗撞性能，将此铺层信息作为接下来优化的初始参数；b.由于B柱加强板皆为设计区域，故采用8号各向异性材料模型创建铺层形成层合板结构，属性定义针对设计区域设置选取PCOMPP，由于Optistruct优化软件只能对材料进行减薄而不具备增厚的功能，故需建立所谓的初始厚度较厚的超级层，该超级层的厚度通过初始优化参数进行设置；(3)加载的设置提取B柱模型的抗冲击性仿真中的B柱加强板最大相对位移来计算所需等效力的数值，将其加载在与碰撞台车相接触的B柱加强板结构优化模型中，并按照加载点的个数，将等效力进行平均分配加载；根据x、y、z轴的力的数量级进行合理忽略简化，所得的静态仿真模型可以与动态仿真模型获得较好的位移拟合结果，之后在...

【专利技术属性】
技术研发人员：张君媛，姜哲，李仲玉，张秋实，王丹琦，郭强，纪梦雪，舒畅，陆炳全，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林,22