一种碳纤维复合材料B柱结构轻量化优化方法技术

技术编号：40939978 阅读：10 留言：0更新日期：2024-04-18 14:57

本发明专利技术公开了一种碳纤维复合材料B柱结构轻量化优化方法，涉及汽车零部件轻量化设计技术领域。本发明专利技术结合ISIGHT优化平台与有限元软件，采用多岛遗传算法对铺层厚度进行优化；利用交换离散粒子群算法，解决了在铺层顺序优化中设计变量非连续等问题；为了进一步优化性能，将削层结构引入复合材料B柱中，最终确定复合材料B柱的铺层方案。B柱内板铺层[45/‑45/90/0/‑45<subgt;2</subgt;/90/‑45<subgt;2</subgt;/0/90/0<subgt;2</subgt;/90/0/45<subgt;2</subgt;/0/45/0/45/0]<subgt;S</subgt;，B柱外板铺层[45/‑45/90/0/90<subgt;2</subgt;/‑45/0/‑45<subgt;2</subgt;/45/‑45/45<subgt;2</subgt;/0/45/0<subgt;4</subgt;]s，结构重量3.64kg。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于汽车零部件轻量化设计，涉及一种碳纤维复合材料b柱结构轻量化优化方法。

技术介绍

1、汽车轻量化作为支撑汽车产业变革的重要技术手段，是推进汽车产品节能减排的一项关键技术。轻量化技术可以通过降低传统燃油汽车的自身重量来实现节能减排，是解决由汽车工业发展引起的环境和能源问题的重要途径之一。通过采用轻量化材料和结构设计，可以提高汽车的强度、刚度和耐久性，增强汽车的抗碰撞能力和安全性能；同时，轻量化设计通过减少汽车总重量，可以提高汽车的灵活性、加速性和操控性，从而提高驾驶体验。

2、在“双碳”背景下，汽车工业发展面临着广泛而深刻的低碳转型，而汽车轻量化是实现节能减排的一个重要途径。作为车身侧面重要的关键承载结构件，传统金属b柱截面较为复杂且往往需要装配多块加强板进行加强，不利于汽车轻量化且增加装配成本。相比于传统金属材料，碳纤维复合材料通常质量更轻、强度更高，且具有丰富的可设计性，逐渐成为汽车轻量化特别是车身结构轻量化的理想材料。b柱作为典型的车身结构中的重要承载件之一，在保证结构刚度、强度和安全性能的前提下对其进行轻量化设计，对实现汽车轻量化具有重要意义。

技术实现思路

1、本专利技术为了弥补现有技术的不足，提供了一种碳纤维复合材料b柱结构轻量化优化方法，包括，汽车b柱采用碳纤维增强的聚合物基复合材料cfrp，具体为碳纤维环氧树脂（t700/2510）复合材料；

2、对碳纤维复合材料b柱进行初始铺层结构设计；b柱采用全复合材料结构并取消加强板结构，只保

3、对碳纤维复合材料b柱铺层厚度和铺层顺序进行优化的方法包括以下步骤，

4、步骤一，确定b柱层合板的铺层厚度方法为，假设层合板总厚度为,初始铺层顺序为，各角度铺层厚度分别是、、、，并且满足，

5、

6、根据b柱在典型工况中的力学性能表现，建立铺层厚度优化的数学模型，

7、其中，设计变量 x1、 x2、 x3、 x4分别表示45°、-45°、90°、0°铺层的铺层厚度；目标函数 f( x)表示复合材料b柱结构的总重量；不等式约束条件表示设计变量为内、外板各超级层的厚度，其取值范围是0.125~1 mm；表示各静态刚度工况下的位移约束条件；表示第七阶自由模态频率不低于原始金属b柱；

8、步骤二，对复合材料铺层厚度进行优化，方法包括以下步骤，

9、通过构建响应面近似模型，将输入变量和输出响应之间的关系建模为一个数学方程，该方程即称为响应面模型；近似模型构建的主要步骤分为实验设计、模型建立、模型检验和优化设计环节；

10、采用isight优化平台，在实验设计模块中选择优化拉丁超方法设计选取100个样本点，将ansa组件引入实验设计模块，完成对铺层厚度的参数化操作，设定相关输出路径和文件格式参数以输出质量信息文件和有限元计算文件；最后，利用data exchanger组件读取b柱质量信息，通过abaqus组件完成对有限元模型的计算并得到各个工况的计算结果；

11、采用二阶多项式响应面模型对由实验设计得到的100个样本点空间进行代理模型的构造，对建立的模型进行检验，设置交叉验证数据点数为50，对构建的代理模型的各个响应值进行误差分析；

12、在完成近似模型的搭建后，需要根据建立的响应面模型，确定最佳的各因素水平组合，以实现响应变量的最大化或最小化；选用多岛遗传算法作为优化算法，设置子群规模大小为10、岛个数为10、总进化代数为10，其余配置参数保持预设；完成设计变量、约束函数以及目标函数的输入后，对铺层厚度进行迭代优化，得到铺层厚度优化结果，铺层厚度的优化结果为连续变量，需要将其圆整为单层厚度的整数倍，而t700环氧单层材料厚度为0.125mm，即圆整后的值应为0.125的整数倍；得到最优铺层厚度和铺层比例为，内板的铺层结果为[±45°5/0°8/90°4]s，外板的铺层结果为[±45°50°7/90°3]s；

13、步骤三、利用基于交换序的离散粒子群算法dpsoss对铺层结果进行寻优；选取静态刚度工况中最危险的侧向弯曲工况位移最小作为目标函数，通过matlab语言编写dpsoss算法源程序，并调用abaqus进行有限元模型的建立和求解以获取适应度值，进而对cfrp b柱结构进行铺层顺序优化；

14、分步对内、外板的铺层顺序进行优化，即先保持外板铺层顺序不变，进行内板铺层顺序的优化；然后基于内板铺层顺序优化结果，对外板铺层顺序进行优化，最终得到b柱总成结构的铺层顺序方案；对b柱内板进行优化，得到的内板最佳铺层顺序为，[45/-45/90/0/-452/90/-452/0/90/02/90/0/452/0/45/0/45/0]s；对b柱外板的铺层顺序进行优化，得到外板的最佳铺层顺序为，[45/-45/90/0/902/-45/0/-452/45/-45/452/0/45/04]s；复合材料铺层厚度应为单层厚度的整数倍；

15、步骤四、对cfrp b柱削层结构进行建模，用二维壳单元模拟；同时，将削层过渡区域简化为共节点连接方式，将b柱外板和内板上部设置为优化后的基本铺层方案，而在下部削减部分铺层，从而得到复合材料b柱结构的削层方案；对不同削层方案进行有限元建模、仿真和结果对比得到最终的复合材料b柱的铺层方案，b柱内板铺层[45/-45/90/0/-452/90/-452/0/90/02/90/0/452/0/45/0/45/0]s，b柱外板铺层[45/-45/90/0/902/-45/0/-452/45/-45/452/0/45/04]s，结构重量3.64kg。

16、本专利技术结合isight优化平台与有限元软件，采用多岛遗传算法对铺层厚度进行优化；利用交换离散粒子群算法，解决了在铺层顺序优化中设计变量非连续等问题；为了进一步优化性能，将削层结构引入复合材料b柱中，最终确定复合材料b柱的铺层方案。

17、本专利技术通过对复合材料b柱进行工况分析与优化设计，实现b柱结构多学科性能和重量之间最优平衡的目标。本专利技术除了涉及b柱结构本身力学性能范畴以及对其他车身结构轻量化设计的指导意义，还在节约能源和保护环境等方面具有现实意义。

本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种碳纤维复合材料B柱结构轻量化优化方法，其特征在于，包括，汽车B柱采用碳纤维增强的聚合物基复合材料CFRP，具体为碳纤维环氧树脂（T700/2510）复合材料；

【技术特征摘要】

1.一种碳纤维复合材料b柱结构轻量化优化方法，其特征在于，包括，汽车b柱采用碳纤维增...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹长城，王文皓，李青春，
申请(专利权)人：湖北汽车工业学院，
类型：发明
国别省市：

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