一种多性能协同匹配的轻量化复合材料板簧设计方法技术

本发明专利技术涉及一种多性能协同匹配的轻量化复合材料板簧设计方法，包括如下步骤，首先制备复合材料层合板与材料性能试验；其次对复合材料板簧总成结构进行初始设计；对板簧簧身初步铺层方案设计；对复合材料板簧总成三维建模与有限元建模，并进行复合材料板簧有限元仿真计算；采用遗传算法的铺层方案优化设计，并进行优化方案仿真验证分析；最后对复合材料板簧样件试制与性能试验。本发明专利技术可有效提高复合材料板簧的轻量化、可靠性能和减震性能。可靠性能和减震性能。可靠性能和减震性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多性能协同匹配的轻量化复合材料板簧设计方法


[0001]本专利技术涉及一种板簧设计方法，尤其是一种基于多种性能协同匹配技术的轻量化复合材料板簧设计方法，属于车辆悬架设计


技术介绍

[0002]随着经济的快速发展，能源问题和环境问题愈演愈烈，节能和环保已经成为汽车产品重点研究方向，其中轻量化是汽车必然的发展趋势。据统计，钢板板簧重量约占汽车自重的8～9％。在相同刚度的条件下，复合材料板簧重量约为钢板弹簧重量的40％，对汽车的经济性、动力性和舒适性有显著的提升作用。目前，轻量化可通过结构优化、工艺改进与新材料的应用三个途径来实现，其中新材料的应用是最有效措施。因此有必要提出一种切实可行的，实际有效的复合材料板簧的设计方法。在车辆行驶过程中，复合材料板簧主要承受着垂向力、纵向力、弯矩与扭矩作用，因此，在实现复合材料板簧轻量化的同时，还应保证复合材料板簧的可靠性能与减震性能。复合材料板簧的铺层方案对板簧机械性能的影响较大，因而可通过对复合材料板簧铺层工艺参数(包括层数、各层厚度、各层长度)的优化，来实现复合材料板簧的轻量化、可靠性与减震性能。而对铺层工艺参数传统的设计方法主要通过理论计算与试验来确定铺层工艺参数的取值范围，这种方法误差较大，而且采用该方法设计出来的复合材料板簧很难同时保证板簧的轻量化、可靠性与减震性能的要求。因此，提出一种基于多种性能协同匹配技术的轻量化复合材料板簧设计方法，解决确定最优铺层工艺参数精确值与同时满足板簧多种机械性能的问题。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的在于针对现有技术存在的问题，提出一种多性能协同匹配的轻量化复合材料板簧设计方法，用以解决传统方法设计出的复合材料板簧难以同时满足多种机械性能，且复合材料板簧铺层工艺参数缺少明确可行优化方法的问题。
[0004]本专利技术的具体技术方案如下：一种多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，包括如下步骤：
[0005]步骤1，制备复合材料层合板，并进行材料性能试验；
[0006]步骤2，根据步骤1的试验结果，对复合材料板材板簧总成结构进行初始设计；
[0007]步骤3，对复合材料板簧簧身进行初步铺层方案设计；
[0008]步骤4，对复合材料板簧总成进行三维建模与有限元建模，并对复合材料板簧有限元进行仿真计算；
[0009]步骤5，采用遗传算法对复合材料板簧的铺层方案优化设计，并对优化方案进行仿真验证分析；
[0010]步骤6，对复合材料板簧样件试制，并进行性能试验，所述性能试验包括刚度试验、阻尼试验、振动试验与可靠性试验。
[0011]进一步的，所述步骤1中，选取E玻璃纤维材料作为复合材料层合板中的增强材料
层，选取聚氨酯为基材；并针对复合材料层合板进行机械性能试验，所述机械性能试验包括密度试验、弹性模量试验、伸长率试验及泊松比试验。
[0012]进一步的，所述E玻璃纤维材料在复合材料层合板中所占的比例为其纤维体积含量，所述纤维体积含量为50％～70％；纤维在基体中的分布形态为纤维排布方向，所述纤维排布方向为40％～60％。
[0013]进一步的，所述步骤2的具体步骤如下：
[0014]步骤2.1，根据板簧刚度、动挠度与整车布置要求，确定板簧的自由弧高；
[0015]步骤2.2，根据板簧轻量化要求，结合步骤1中复合材料层合板的密度，设计板簧簧身的几何结构，包括长度、宽度与厚度，所述簧身在长度方向上呈弧形，且厚度由中心向两端逐渐减小。
[0016]进一步的，所述步骤3的具体步骤如下：
[0017]步骤3.1，将复合材料层合板铺层角度均设置为45
°
；
[0018]步骤3.2，采用Matlab遗传算法建立复合材料板簧多目标优化模型，优化变量选择铺层参数，优化目标选择复合材料板簧的刚度、强度和质量；
[0019]步骤3.3，通过优化计算，确定板簧的铺层区，并确定每个铺层区的截面形状；
[0020]步骤3.4，根据每个铺层区截面形状与层合板的厚度，确定每个铺层区的铺层数量；
[0021]步骤3.5，根据每个铺层区的截面形状，确定每块层合板长度。
[0022]进一步的，所述步骤3.3中，板簧的铺层区是根据板簧簧身的几何结构确定，分别为上表面等长铺层区、中间长度渐变铺层区、下表面等长铺层区与底部等长铺层区。
[0023]进一步的，每块层合板截面尺寸在上表面等长铺层区及下表面等长铺层区内层合板的末端到中部厚度相等；在中间长度渐变铺层区内层合板的末端到中部厚度应以抛物线规律增加。
[0024]进一步的，所述步骤4的具体步骤如下：
[0025]步骤4.1，根据复合材料板簧初始结构，采用CATIA软件建立复合材料板簧的三维几何模型；
[0026]步骤4.2，将完成装配后的复合材料板簧总成三维几何模型导入HYPERMESH软件中进行网格划分，单元类型采用C3D8I单元；
[0027]步骤4.3，根据步骤1中，复合材料层合板进行的机械性能试验，设置板簧有限元模型的密度、弹性模量、伸长率及泊松比；
[0028]步骤4.4，进行板簧变形仿真，质量、刚度与阻尼仿真计算；
[0029]步骤4.5，根据强化道路试验工况，对板簧进行强度与疲劳仿真计算。
[0030]进一步的，所述步骤5的具体步骤如下：
[0031]步骤5.1，将中间长度渐变铺层区内的层合板从上往下用序号1—n进行基因编码；
[0032]步骤5.2，为保证复合材料板簧的可靠性能，上表面等长铺层区预留m1层长铺层,下表面等长铺层区预留m2层长铺层，底部等长铺层区预留m3层短铺层；
[0033]步骤5.3，定义应力比函数与中间长度渐变铺层区内位置影响因子，应力比表达式为：
[0034][0035]其中，σ
i
为第i层层合板应力；σ
max
为E玻璃纤维/聚氨酯复合材料的纵向拉伸强度的绝对值；
[0036]位置影响因子表达式为：
[0037][0038]其中，l
i
为编码i层合板的长度；
[0039]步骤5.4，定义适应度函数，其表达式为：
[0040]ξ＝w
σl
[1+(n1+n2)2][0041]其中，n1为各铺层中不满足长短相间规律的铺层数，n2为应力比大于0.2的铺层数；
[0042]步骤5.5，进行优化计算，确定中间长度渐变铺层内层合板铺层顺序；
[0043]步骤5.6，根据优化结果修改有限元模型，并进行板簧变形、刚度、阻尼、强度与疲劳仿真。
[0044]进一步的，所述步骤6的具体步骤如下：
[0045]步骤6.1，根据复合材料板簧铺层优化方案，试制复合材料板簧样件；
[0046]步骤6.2，测量复合材料板簧质量，并对复合材料板簧样件进行台架可靠性试验、刚度试验与阻尼试验；
[0047]步骤6.3，进本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，其特征在于：包括如下步骤：步骤1，制备复合材料层合板，并进行材料性能试验；步骤2，根据步骤1的试验结果，对复合材料板材板簧总成结构进行初始设计；步骤3，对复合材料板簧簧身进行初步铺层方案设计；步骤4，对复合材料板簧总成进行三维建模与有限元建模，并对复合材料板簧有限元进行仿真计算；步骤5，采用遗传算法对复合材料板簧的铺层方案优化设计，并对优化方案进行仿真验证分析；步骤6，对复合材料板簧样件试制，并进行性能试验，所述性能试验包括刚度试验、阻尼试验、振动试验与可靠性试验。2.根据权利要求1所述的多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，其特征在于：所述步骤1中，选取E玻璃纤维材料作为复合材料层合板中的增强材料层，选取聚氨酯为基材；并针对复合材料层合板进行机械性能试验，所述机械性能试验包括密度试验、弹性模量试验、伸长率试验及泊松比试验。3.根据权利要求2所述的多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，其特征在于：所述E玻璃纤维材料在复合材料层合板中所占的比例为其纤维体积含量，所述纤维体积含量为50％～70％；纤维在基体中的分布形态为纤维排布方向，所述纤维排布方向为40％～60％。4.根据权利要求1所述的多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤如下：步骤2.1，根据板簧刚度、动挠度与整车布置要求，确定板簧的自由弧高；步骤2.2，根据板簧轻量化要求，结合步骤1中复合材料层合板的密度，设计板簧簧身的几何结构，包括长度、宽度与厚度，所述簧身在长度方向上呈弧形，且厚度由中心向两端逐渐减小。5.根据权利要求1所述的多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体步骤如下：步骤3.1，将复合材料层合板铺层角度均设置为45
°
；步骤3.2，采用Matlab遗传算法建立复合材料板簧多目标优化模型，优化变量选择铺层参数，优化目标选择复合材料板簧的刚度、强度和质量；步骤3.3，通过优化计算，确定板簧的铺层区，并确定每个铺层区的截面形状；步骤3.4，根据每个铺层区截面形状与层合板的厚度，确定每个铺层区的铺层数量；步骤3.5，根据每个铺层区的截面形状，确定每块层合板长度。6.根据权利要求5所述的多性能协同匹配的轻量化复合板材板簧设计方法，其特征在于：所述步骤3.3中，板簧的铺层区是根据板簧簧身的几何结构确定，分别为上表面等长铺层区、中间长度渐变铺层区、下表面等长铺层区...

【专利技术属性】
技术研发人员：张宝，邹小俊，朱光耀，刘凯，高加祥，古忠，
申请(专利权)人：南京依维柯汽车有限公司，
类型：发明
国别省市：