基于OptiStruct碳纤维复合材料顶盖结构优化设计的研究

廖勇

【摘 要】以某款汽车顶盖为例,采用碳纤维复合材料替换金属材料,根据复合材料的特点,提出了新型的复合材料优化设计技术,即自由尺寸优化,尺寸优化和铺层顺序优化,并采用这种新型优化方法,对复合材料顶盖进行优化设计,结果表明,在保证刚度的前提下,通过优化设计能大大减轻顶盖的重量,轻量化效果明显. 【期刊名称】《机电产品开发与创新》 【年(卷),期】2016(029)001 【总页数】3页(P26-28)

【关键词】顶盖;碳纤维复合材料;轻量化;优化设计 【作 者】廖勇

【作者单位】东风柳州汽车有限公司,广西柳州545000 【正文语种】中 文 【中图分类】TB47

碳纤维复合材料作为新型的轻量化材料具有密度小、比刚度、比强度高和可设计性强的特点，在航空航天及军用领域得到了大力的发展和应用［1］，在汽车轻量化研究的新形式下，碳纤维复合材料也成为了最具潜力的轻量化设计材料，针对碳纤维复合材料的汽车零部件的设计正在大力的展开。

本文以汽车顶盖为研究对象，采用碳纤维复合材料替代金属材料，并利用OptiStruct对顶盖进行了结构优化设计，根据结果得到了顶盖结构设计方案，使

其在保证刚度前提下，实现了轻量化的目标。 1.1 碳纤维复合材料

碳纤维是一种力学性能优异的新型材料，它的比重不到钢的1/4，抗拉强度一般都在3500MPa以上是钢的7～9倍，抗拉弹性模量为 230～430GPa亦高于钢。因此碳纤维复合材料的比强度和比模量很高。比强度越高，则零件自重越少。比模量越高，则零件刚度越大。

本文中，选用碳纤维作为复合材料的增强纤维，牌号为T300；选用环氧树脂为复合材料的基体材料，牌号为树脂5208。选用泡沫作为芯材。基本性能如表1、2所示［2］。

1.2 Optistruct结构优化理论概述

基于OptiStruct结构优化设计方法是通过有限元法对相应物理问题进行分析计算，得到结构响应，并对结果进行收敛判断，设计灵敏度分析，得到近似模型，然后将物理模型转换为数学模型，利用最优化理论，以数学规划理论为基础，在满足多种约束的前提下，得到最优结果，具体流程如图1所示［3］。

OptiStruct采用三种方法建立近似模型：最优化准则法、对偶法和可行方向法。后两者都基于设计空间的凸线性化。最优化准则法用于典型的拓扑优化问题，目标表达为最小化应变能（或频率倒数、加权应变能、加权频率倒数、应变能指标等），约束表达为质量（体积）或质量（体积）分数。对偶法与可行方向法则与设计约束与设计变量的数量有关系。当设计变量数量超过设计约束时，选择对偶法；相反则选择可行方向法。

OptiStruct中用到两种收敛准则，即规则收敛与软收敛，满足一种即可。当相邻两次迭代结果满足收敛准则时，即达到规则收敛，意味着相邻两次迭代目标函数值得变化小于目标容差，并且约束条件违反率小于1%。当相邻两次迭代的设计变量变化很小或没有变化时，达到软收敛，这时没有必要对最后一次迭代的目标函数值

或约束函数进行估值，因为模型相对于上次迭代没有变化。因此，软收敛比规则收敛少进行一次迭代。

新型复合材料结构优化设计分为三个阶段：概念设计阶段，系统设计阶段和综合设计阶段，分别采用自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化，优化流程如图2所示。

2.1 概念设计阶段

复合材料顶盖优化模型以原顶盖为基础，由SMEAR超级层组成，其中超级层共分为四种角度：0°、90°、±45°。超级层的概念就是将同种类型的铺层进行组合，这样可以大大减少模型中总铺层数。由于复合材料结构的力学性能与铺层顺序有关，通过SMEAR方式模拟的铺层结构则忽略其具体的铺层顺序得到结构平均的力学性能。

进行自由尺寸优化时，每个单元的各铺层厚度为独立的优化变量。优化后，可得到每个单元的最佳厚度分布，为了避免结构中由于±45°铺层不对称造成的扭转应力，优化时应确保±45°铺层的形状和厚度相同，自由尺寸优化的设计目标是顶盖的刚度最大，在Optistruct优化设计响应中，刚度最大问题即等效为结构的变形能最小。概念设计阶段的顶盖中加入了PVC泡沫芯材。选择各碳纤维铺层的初始厚度为1mm，芯材的初始厚度为1mm，各纤维层的初始角度为45°，-45°，0°，90°，芯材的初始角度为180°。自由尺寸优化问题描述： （1）优化设计变量：每个单元的超级层厚度。 （2）优化目标：顶盖结构应变能最小。

（3）优化约束：①体积分数上限为0.3；②±45°铺层形状和厚度均相同；③层压板厚度上限为5mm；④各超级层的厚度分布左右对称；⑤单层厚度0.25mm。 经过多步迭代计算后，可计算出各超级层的厚度分布，如图 3所示，±45°的铺层结果是相同的。每个角度的超级层均由4个铺层块叠加而成，在得到每个单元各

超级层的最佳厚度后Optistruct，可根据优化结果，自动生成不同形状的铺层块，目标函数与迭代次数曲线如图4所示。 2.2 系统设计阶段

通过自由尺寸优化后得到不同角度超级层的各铺层块的形状，将每种形状的铺层块重新定义为一个超级层。通过尺寸优化，得到每种形状的具体厚度，再除以实际单层的厚度，就可以得到每种角度超级层中每种形状的铺层数目。尺寸优化问题描述： （1）优化设计变量：每种形状超级层的厚度。 （2）优化目标：顶盖质量最小。

（3）优化约束：①每种超级层厚度范围为0～1mm；②Disp_a≤6，式中Disp_a为给定节点a的位移。

经过多步迭代计算后，可得到各角度超级层厚度分布及每种形状铺层块的具体厚度（见表3）除以单层厚度后可得到具体的铺层数目。根据优化结果，重新建立顶盖模型，其中共包括19层碳纤维铺层与1层泡沫铺层。 2.3 综合设计阶段

碳纤维复合材料为正交各向异性材料，复合材料结构的整体性能随其铺层顺序的变化而变化［4］。针对复合材料的这个特性，利用OptiStruct进行铺层顺序优化，可在不增加材料重量的情况下，通过更改顶盖铺层顺序，使顶盖的性能提高。确定铺层顺序时，要同时考虑结构性能和制造加工约束，如对称性，为避免扭转应力，±45的铺层应成对出现，某角度铺层最多连续出现4次等［5］，综合设计阶段中，使用根据尺寸优化后的结果建立的有限元模型。铺层顺序优化问题描述： （1）优化设计变量：顶盖20层铺层的顺序。 （2）优化目标：顶盖质量最小。

（3）优化约束：①±45°铺层形状和厚度均相同；②允许相同角度连续的最大铺层数为4。

通过2步迭代计算，可迅速确定最佳铺层顺序，每一步迭代的铺层顺序结果如图5所示。根据优化得到的铺层顺序，重新构建复合材料顶盖模型，得到最终复合材料顶盖的优化设计方案。

得到优化结果后，建立复合材料顶盖的有限元模型并分析。与原钢制顶盖和优化前的复合材料顶盖相对应的分析结果进行比较，数据统计结果见表4。

综合表4可以发现，优化后的复合材料顶盖与优化前相比，优化后的顶盖减重约为5.6%，其中一阶频率降低8.13Hz；给定工况下的最大位移降低6.34mm。 优化后的复合材料顶盖与原钢制顶盖相比，各项性能参数中，一阶频率大幅增加；给定工况下的最大位移大幅降低，总体刚度增加。且优化后的顶盖减重高达47%，轻量化效果明显。

汽车轻量化已是大势所趋，本文从轻量化角度出发，应用复合材料和新型优化设计方法，以顶盖为例，通过有限元模拟分析，得到最终复合材料顶盖的优化设计方案。从结果可以看出，使用新型设计优化方法对车身零部件进行轻量化，效果明显。这种方法非常适合复合材料结构的优化设计。然而，对于结构方案的评价主要是从力学性能和轻量化效果方面进行的，对于实际生产，还需要结合经济性和技术条件等因素具体分析。

【相关文献】

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