下划线碳纤维复合材料发动机罩优化设计
汽车发动机罩刚度与强度优化分析
西南大学网络与继续教育学院毕业论文论文题目：汽车发动机罩刚度与强度优化分析学生姓名学号类型网络教育专业层次指导教师日期摘要毕业设计是对大学生整个大学阶段的学习内容概括与总结，是学生对知识掌握与提炼程度的一个检验，它是进一步提高学生进入工作岗位之前岗位能力的有效措施，学生通过毕业设计更能贴近就业后岗位的实际。
本课题是发动机罩机械加工过程工艺规程制定及工艺装备设计，机罩是发动机中比较复杂，也是具有代表性的零件之一，基于机罩在发动机的整体结构中的重要性，机罩的制造过程与制造工艺就显得尤为重要。
工位器具在现代制造业中扮演着一个很重要的角色，一个合理的工位器具设计会在很大程度上提高制造水平，科技飞速进步的今天又很多计算机辅助设计软件可以用作为设计手段，本文将工位器具的设计进行介绍，并详细阐述使用三维软件进行设计的方式和优势关键词：发动机；发动机罩；机械加工工艺规程；专用夹具设计目录第1章绪论 (1)1.1选题背景及意义 (1)1.2国内外研究现状 (3)1.3主要研究内容及技术路线 (7)第2章发动机罩的结构分析 (9)2.1发动机罩的材料与功用分析 (9)2.2发动机罩结构图纸 (12)2.3发动机罩结构参数 (14)3发动机机罩强度和刚度评价及疲劳分析 (15)结论 (15)参考文献 (16)第1章绪论1.1选题背景及意义发动机，又称为引擎，是一种可以把一种形式的能转化为另一种更有用的能的机器，通常是把化学能转化为机械能。
有时它既适用于动力发生装置,也可指包括动力装置的整个机器.比如汽油发动机,航空发动机.发动机最早诞生在英国，所以，发动机的概念也源于英语，它的本义是指那种“产生动力的机械装置”。
随着科技的进步，人们不断研制出不同用途多种类型的发动机，但是，不管哪种发动机，它的基本前提都是要以某种燃料燃烧来产生动力。
所以，以电为能量来源的电动机，不属于发动机的范畴。
回顾发动机产生与发展的历史，它经历了外燃机与内燃机两个发展阶段。
碳纤维复合材料汽车顶盖优化设计
碳纤维复合材料汽车顶盖优化设计摘要：本文以某汽车顶盖为例，基于抗雪压性能要求，对碳纤维复合材料汽车顶盖进行了三阶段铺层优化设计。
首先，分析了钢结构汽车顶盖的抗雪压性能，为后续汽车顶盖优化提供约束参考。
其次，对碳纤维复合材料汽车顶盖进行了自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化。
最后，将优化后的碳纤维复合材料汽车顶盖与钢结构顶盖相比较，减重62.5%，雪载工况下未出现屈曲现象，满足设计需求。
关键词：汽车顶盖；抗雪压；碳纤维复合材料；优化；屈曲汽车轻量化技术是节能减排的必然需求，也是汽车产业可持续发展的必经之路。
汽车顶盖作为车身系统的重要组成部分，其对于车身轻量化发展具有重要研究意义。
碳纤维复合材料具有各向异性的力学性能，这与其材料的组成及铺层方式有着密切的关系。
在碳纤维复合材料汽车顶盖方面，国内外学者进行了大量的研究工作。
Reichwein H G等对碳纤维复合材料汽车顶盖的生产制造工艺进行了研究[1]。
Bambach M R提出了将碳纤维粘在钢结构表面的新方式来提高汽车顶盖强度[2]。
肖志等对连续碳纤维复合材料汽车顶盖进行了多层次铺层优化设计[3]。
廖勇基于Optistruct对碳纤维复合材料车身顶盖进行了结构优化[4]。
本文基于某汽车顶盖抗雪压性能需求，采用自由尺寸优化、层组尺寸优化和层叠次序优化相结合的方法对碳纤维复合材料汽车顶盖进行了优化设计，在保证性能目标的同时，大大减轻了顶盖重量。
1 钢结构汽车顶盖抗雪压分析当车身顶盖受到雪压载荷时，起初发生线弹性变形，随着载荷的不断增加会发生非线性屈曲变形。
为了使顶盖在一定雪压载荷范围内不发生屈曲变形，在设计顶盖时需要考虑其结构稳定性。
车身顶盖在受到雪压时，会满足如下关系：（1）（2）其中，，则式（2）可表示为：（3）式中：为雪载压力；为均布载荷；为顶盖承载面积；为雪载体积；为重力加速度；为顶盖雪载厚度；为雪的密度，。
建立车身顶盖有限元模型，约束边界的6个自由度，在车身顶盖表面施加均布载荷，大小为1.3244kPa。
某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制
某碳纤维复合材料发动机壳体设计研制摘要：为了解决汽车发动机的散热问题和提高燃油经济性，在发动机壳体上进行优化设计研究。
通过对现有材料力学性能分析发现，当采用高强度钢时，会导致其强度下降；同时由于热膨胀系数较低，因此需要增加隔热层厚度来降低热量损失；此外，还可以利用金属陶瓷等导热性能良好的材料来代替传统铝材作为隔热层。
基于以上考虑，提出一种新式的新型复合材料发动机壳体结构设计方案，该方案主要包括3部分内容。
(1)以铝合金为主体材料，将镁合金与铁素混凝土相结合形成了一种全新的复合型镁铝合金，并且这种复合材料具备优异的抗热震能力以及优良的耐腐蚀性能。
(2)将铜基复合材料引入到镁铝合金中来增强镁铝合金整体的刚性及抗变形能力。
(3)在原有的基础上将两种不同类型的材料组合而成，使得复合材料的综合力学性能得到进一步提升，从而实现了复合材料发动机的高效散热目的。
关键词：碳纤维；复合材料；发动机壳体0 引言目前国内外对于汽车零部件的开发主要集中于金属材料和非金属材料上。
其中以铝合金为代表的合金材料在强度方面具有很高的要求；而以钢为代表的钢材则更加注重其加工工艺性及力学性能，这也使得该类材料在应用中受到限制，难以满足现代化工业发展需求。
因此，如何提高此类材料的综合性能成为了相关领域学者关注与研究的重点内容之一。
近年来随着计算机技术的快速进步以及相关学科知识的不断更新、完善，人们逐渐意识到将新材料运用到实际生产生活当中是一种必然趋势，并开始积极探索新型复合材料的研发工作。
基于此背景下，众多学者针对不同种类的复合材料进行了深入研究分析，如纤维增强塑料(Fiber-Enhanced Polymers)、陶瓷等。
1 碳纤维复合材料发动机壳体结构及技术参数针对汽车行业对于高性能轻量化要求的发展趋势和市场需求，以某车型为对象，通过对该车型的主要零部件进行分析与优化后，确定了其所需的新型碳纤维复合材料(CFRP-UHPC)材料。
发动机罩的结构轻量化设计
发动机罩的结构轻量化设计徐聪;徐国艳;张立玲【摘要】应用拓扑和形貌联合优化,以及基于DOE灵敏度分析的尺寸优化对发动机罩进行轻量化设计.分析了原发动机罩主要承载状态的刚度和一阶约束模态.两种优化设计方法均以体积最小为目标,弯曲刚度、扭转刚度、侧向刚度和一阶约束模态频率为约束条件.根据优化设计结果,给出了两种轻量化方案.对比优化前后的结构性能,从刚度和一阶约束模态频率角度验证轻量化方案的可行性.CAE分析结果表明,两种方法均可以达到降低发动机罩质量且满足结构性能要求的目的,而且,对此发动机罩尺寸优化的轻量化效果更好.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2016(000)007【总页数】5页(P193-196,200)【关键词】发动机罩;轻量化;拓扑优化;形貌优化;DOE;尺寸优化【作者】徐聪;徐国艳;张立玲【作者单位】北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;北京航空航天大学交通科学与工程学院,北京100191;北京汽车股份有限公司汽车研究院,北京101300【正文语种】中文【中图分类】TH16;U463.83+3随着经济和汽车制造业的持续快速发展，汽车保有量大幅增加，所引发的能源和环境问题日益突出，节能减排成为汽车工业发展的必然趋势。
研究表明，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一[1]。
目前，汽车轻量化主要通过采用轻量化材料和轻量化制造工艺[2]，以及对结构进行优化设计来实现[3-4]。
文献[5]基于钢制发动机罩的基本性能要求设计了轻量化的碳纤维复合材料发动机罩；文献[3]依次对汽车传动轴进行拓扑优化和形貌优化，以提高一阶自由模态频率；文献[4]应用DOE对某SUV的白车身进行了基于模态、刚度和强度要求的优化设计。
考虑到更换材料改动较大，所涉及问题较多，成本可能提高，于是，对发动机罩的结构进行优化设计。
发动机罩是车身的主要覆盖件之一，主要由外板、内板、锁扣、锁扣加强板和铰链等组合而成。
基于CAE的发动机舱罩结构分析及优化设计
基于CAE的发动机舱罩结构分析及优化设计作者：李林来源：《汽车科技》2013年第02期摘要：通过建立某车型发动机舱罩的有限元模型进行模态分析，利用拓扑优化方法对其结构进行优化设计并提出了两种优化方案，经过进一步分析和制造工艺性能的对比，确定了一种结构优化方案。
最后验证了优化方案的刚度，提高了发动机舱罩的整体性能，达到了优化的目的。
计算机辅助工程（CAE）工具的运用能够为工程设计人员指明设计方向，缩短研发周期，降低研发成本，取得良好的经济效益。
关键词：计算机辅助工程（CAE）；拓扑优化；发动机舱罩中图分类号：U463.83+3 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2013）02-0016-04发动机舱罩是汽车车身的重要组成部分，不仅影响整车的造型美观，还要保护机舱内的发动机和其他重要的零部件免受损伤。
在日常使用过程中会经常开闭，因此其整体性能是汽车重要的性能之一，需要进行相关的测试及优化。
如果利用计算机辅助工程（CAE）工具进行分析，可以节省实验样件的数量和次数，尤其是有多种设计方案时，利用CAE工具可以快速进行分析和比较，指导设计人员对发动机舱罩结构改进和优化，提高产品性能，降低成本。
本文以某车型发动机舱罩为研究对象，采用有限元分析方法分析了原始方案的自由模态。
针对第一阶模态频率相对较低的问题，采用拓扑优化分析方法，重新设计内板加强筋的结构。
计算两组优化方案的模态结果，选定较优一组作为最终设计，同时亦对其刚度性能进行验证。
1 发动机舱罩模态分析1.1 模态分析的基本理论模态分析是根据结构特性与材料特性等参数分析，采用有限元法形成系统的离散数学模型——质量矩阵和刚度矩阵，求解特征值，确定模态参数。
典型系统的自由模态分析基本方程可表达为如下形式：自由模态分析求解式（2），即对特征方程求解。
1.2 发动机舱罩有限元模型建立原始方案是工程部门根据造型和结构设计经验构建的，具体方案如图1所示。
该设计方案需要通过模态分析来验证结构设计是否合理。
基于Kriging模型的发动机罩多目标优化设计
基于Kriging模型的发动机罩多目标优化设计陈立娜;张维刚【摘要】为提高轿车CNCAP行人保护性能,应用拓扑优化方法对某款轿车的发动机罩内板进行结构改进,以达到降低行人头部损伤值的目的.先以发动机罩内板、外板、加强板及铰链的壁厚为设计变量,采用最优拉丁方法生成样本数据,通过仿真分析,构建了关于发动机罩质量、头部损伤值及模态的Kriging近似模型;然后利用NSGA-Ⅱ(非劣分层遗传算法)多目标进化算法寻优求解.结果表明:改进后的发动机罩不仅安全性和防振性得到改善,而且质量减小,模态值提高,实现了安全、防振及轻量化的设计目标.【期刊名称】《中国机械工程》【年(卷),期】2013(024)022【总页数】5页(P3014-3018)【关键词】发动机罩;Kriging模型;多目标优化;最优拉丁方法【作者】陈立娜;张维刚【作者单位】湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙,410082【正文语种】中文【中图分类】U460 引言汽车安全是汽车产业的三大主题之一，行人保护也日渐成为人们关注的热点问题。
据有关资料统计，在与行人直接相关的交通事故中17.3%的头部伤害与发动机罩相关，因此，合理设计发动机罩的结构与材料，可以大大降低行人在与车辆发生碰撞时所受的伤害。
在发动机罩的设计过程中，研究者要综合考虑安全性、刚度及轻量化等要求，而这些要求往往是相互冲突的，因此发动机罩的优化设计过程是一个多目标优化问题。
多目标优化即是在各个目标之间反复考量，然后找到一个最优折中方案。
考虑到碰撞过程中的非线性及计算时间长的问题，在处理多目标问题时引入近似模型，在保证一定精度的情况下，构造一个计算量小、计算结果与实际仿真结果相似的数学模型代替实际仿真程序，并在优化迭代过程中不断更新模型、提高精度，使多目标优化更快更有效地达到收敛。
作为一种常用的近似模型，Kriging［1］模型起源于地理空间统计学，是一种估计方差最小的无偏估计模型，具有局部估计特点，可以较好地预估未知函数点处函数值的分布情况，进而可以替代原有的目标函数分析模型，在汽车零部件优化设计上具有很大的应用价值。
考虑应变率效应的碳纤维增强复合材料发动机罩行人保护分析
2020年第7期【摘要】利用高速拉伸试验机在0.01~500s -1的应变率范围内获取了某碳纤维增强复合材料（CFRP ）层合板发动机罩的应力-应变曲线并讨论了应变率对其力学性能的影响，结果表明CFRP 层合板是应变率相关材料。
利用获取的试验数据与广义Maxwell 模型拟合，得到考虑应变率效应的广义Maxwell 材料本构模型，将该模型引入分析软件LS-DYNA ，对某CFRP 发动机罩进行了行人保护性能仿真与试验对标，结果表明，考虑模量的应变率效应可以提升CFRP 发动机罩头部损伤值的分析准确度。
主题词：碳纤维增强复合材料应变率行人保护发动机罩中图分类号：TB332文献标识码：A DOI:10.19620/ki.1000-3703.20190683CFRP Hood Pedestrian Protection Performance Analysis ConsideringStrain Rate EffectCheng Chao,Wang Xia（Pan Asia Technical Automotive Center Co.,Ltd.,Shanghai 201201）【Abstract 】Stress-strain curve of an engine hood made of Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP)is obtained at a strain rate range of 0.01~500s -1with a high speed tensile machine,and the influence of strain rate on its mechanical properties is discussed.Test results show that CFRP laminated plate is strain rate related material.The test data obtained is fitted with the generalized Maxwell model,the generalized Maxwell material constitutive model considering strain rate effectis obtained,analysis software LS-DYNA is introduced to this model.Pedestrain protection performance simulation and test benchmarking are carried out for a CFRP engine hood.Test results show that the strain rate effect considering modulus canimprove the accuracy of analysis of CFRP engine hood head injury value.Key words:CFRP,Strain rate,Pedestrian protection,Engine hood程超汪霞（泛亚汽车技术中心有限公司，上海201201）考虑应变率效应的碳纤维增强复合材料发动机罩行人保护分析汽车技术·Automobile Technology1前言碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer ，CFRP ）具有极高的比刚度、比强度，同时具有良好的抗疲劳性能和碰撞性能，已被大量应用于航空、航天、国防军工等领域。
碳纤维复合材料汽车引擎盖的设计和工艺研究
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摘要
树脂基碳纤维复合材料具有比强度和比刚度高、密度小、耐高温、耐腐蚀等 优良性能。将其应用于汽车引擎盖，在保证刚度、模态频率等力学性能要求的前 提下，能够有效地减轻重量，实现汽车轻量化的目的。 论文首先对国内外关于碳纤维复合材料在汽车覆盖件方面的研究和应用进 行了阐述，并进行了对比，表明了国内外的差距和进行该方面研究的必要性。又 详细论述了关于蜂窝夹层板的计算模型，而后就当前复合材料工艺给出了介绍， 特别对 RTM 工艺展开了说明。 本文采用了逆向设计的方法对碳纤维复合材料汽车引擎盖进行设计， 使其与 原有的钢制引擎盖外形相同。通过探讨对铺层角度和铺层顺序对引擎盖弯曲刚 度、扭转刚度和模态频率的影响，得出比较合适的铺层角度和顺序，从而确定铺 层方案。 对比原有引擎盖与选定方案下的碳纤维引擎盖的刚度和模态，体现碳纤 维引擎盖在轻量化方面的优势，并指出其存在的厚度方面的缺点。 通过对符合材料各种成型方法进行比较， 选择 RTM 工艺来制造引擎盖的内外 的碳纤维板。本文先对采用的工艺仿真软件 RTM-Worx 和它的使用方法进行了介 绍，然后探讨预成型体的渗透率，树脂注射的压力和温度对充模时间的影响。得 出以下结论： 在其他因素一定的前提下，渗透率与注射压力分别与充模时间成反 比，注射温度与充模时间成线性递减的关系。本文对制件缺陷也有涉及。 本文从结构和工艺两个方面对碳纤维复合材料汽车引擎盖进行分析， 指出其 优势和不足， 同时讨论了预成型体的制备以及充模工艺参数，对包括引擎盖在内 的汽车覆盖件的设计和工艺参数的选择具有一定的参考意义。 关键词：碳纤维复合材料;引擎盖;铺层方案;工艺参数
万方数据
分类号 UDC
学校代码 10497 学号 1049721101275
碳纤维复合材料发动机罩优化设计研究
（3）热膨胀系数小，不易变形； （4）可塑性好，能够根据需求进行定制化设计。
3、碳纤维复合材料发动机罩的 设计流程
碳纤维复合材料发动机罩的设计流程如下： （1）明确设计需求，进行方案构思； （2）建立发动机罩的几何模型；
（3）选择合适的碳纤维复合材料，并进行材料配方设计； （4）利用仿真软件进行结构设计优化；
针对碳纤维复合材料钻孔缺陷的研究现状，虽然已经有一些研究工作在开展， 但仍存在一些问题。首先，缺陷的产生机制和影响因素尚不完全明确，需要进一 步深入研究。其次，目前常用的检测方法仍存在一定的局限性，如对小缺陷的检 测灵敏度不高。此外，在处理工艺方面，尚缺乏高效、环保的修复方法，多数情 况下仍依赖传统的返工或报废方式。
1、碳纤维复合材件下，碳纤维复合材料发动机罩的损伤程度明显小于传 统金属发动机罩；
3、碳纤维复合材料发动机罩的耐腐蚀性能优于传统金属发动机罩。
五、结论与展望
本次演示通过对碳纤维复合材料发动机罩的优化设计研究，得出了其在轻量 化、耐腐蚀性、强度和抗冲击性能等方面均优于传统金属发动机罩的结论。通过 仿真分析和实验研究，验证了碳纤维复合材料发动机罩设计的可行性和优势。展 望未来，我们将进一步深入研究碳纤维复合材料在汽车领域的应用，探索更加优 化的设计方案和制造工艺，为实现汽车工业的可持续发展做出贡献。
4、碳纤维复合材料发动机罩的 设计方案
在碳纤维复合材料发动机罩的设计中，我们主要考虑以下几个方面：
（1）结构设计：采用分区设计，根据发动机罩的受力情况，分为多个区域， 针对不同区域采用不同的碳纤维复合材料和结构厚度，以提高发动机罩的强度和 抗冲击性能；
（2）材料选择：选用高强度、高模量的碳纤维作为增强体，以获得更高的 强度和刚度；选用高性能的树脂作为基体，以保证发动机罩的韧性和耐腐蚀性能；
碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证
碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证随着汽车安全事故的不断发生，行人保护已成为汽车安全领域中不可忽视的一项重要指标。
在汽车设计中，发动机罩是行人保护的重要构件之一。
目前，碳纤维复合材料作为一种性能卓越的材料，在汽车发动机罩制造中得到了广泛应用。
本文旨在验证碳纤维复合材料发动机罩的行人保护性能。
本文设计了碳纤维复合材料和金属材料两种不同发动机罩，分别在行人撞击试验中进行了对比。
试验中采用的碳纤维复合材料具有优异的强度、刚度和抗冲击性能，而金属材料则具有良好的耐腐蚀性和成形性能。
试验结果表明，碳纤维复合材料发动机罩的行人保护性能优于金属材料发动机罩。
试验结果表明，碳纤维复合材料发动机罩在行人撞击时具有更好的缓冲效果和吸能性能。
碳纤维复合材料具有较高的强度和刚度，可以有效地吸收和分散撞击能量，从而降低行人受伤的概率。
而金属材料由于刚性高、吸能能力差，往往会导致更严重的行人伤害。
此外，碳纤维复合材料发动机罩的轻量化特性也为其行人保护性能带来了优势。
相较于传统金属材料，碳纤维复合材料具有更好的均匀性和可塑性，因此可以制造出更加轻巧的发动机罩。
轻量化的发动机罩在行人撞击时所造成的冲击力和动能也较小，从而进一步提高了行人的保护性能。
综上所述，碳纤维复合材料发动机罩在行人保护性能方面具有较大优势。
它不仅具有优异的强度、刚度和抗冲击性能，而且具有轻量化特性，可以有效地减少行人受伤的可能性。
因此，在汽车设计中应该更加推广和使用碳纤维复合材料发动机罩，以提升汽车的安全性能。
尽管碳纤维复合材料具有优异的性能，但它也存在一些缺陷，例如制造成本较高、劣化性能易受高温和紫外线等因素的影响。
这些问题在实际应用中需要认真考虑。
为了提高碳纤维复合材料的制造成本和使用寿命，制造商可以优化生产工艺和改良材料配方。
例如采用更加经济高效的工艺如自动化生产线，合理控制每一个环节的成本，以降低生产成本并提升生产效率。
此外，对于材料配方的改良，可以探索采用可再生资源、接口改性剂等方式，以提高制造成本的可持续性。
基于碳纤维复合材料的机翼优化设计
基于碳纤维复合材料的机翼优化设计一、研究目的由于复合材料具有质量轻、较高的比强度、比模量、较好的延展性、抗腐蚀、导热、隔热、隔音、减振、耐高（低）温、耐烧蚀、透电磁波, 吸波隐蔽性、可设计性、制备的灵活性和易加工性等特点，故其在航空航天领域得到广泛应用而且前景广阔。
本试验在探究在给定外形与尺寸的机翼设计要求下，开展了复合材料机翼结构设计、工艺设计、产品制造以及性能测试等工作，给出了完整的技术方案，旨在研究机翼梁结构设计、复合材料铺层设计、加工方式对结构件强度的影响。
二、研究内容（或研究对象）首先给出既定外形和尺寸的机翼，参考下图。
机翼由具有锥形截面的左、右翼身、中心翼盒及左、右翼梢五部分组成（见图纸，图中度量单位为英寸，按照1英寸=25.4mm 换算）。
机翼尺寸约为4 36.5英寸。
图纸中给出了翼身截面形状和翼梢截面形状。
机翼的左右两部分完全一样，翼梢在两端对称相反分布。
翼身和中心翼盒两部分的上下表面均为平面，组合后下表面要求为水平面，不允许有超出最大机翼剖面的结构存在。
图1 机翼整体外观图2 机翼具体尺寸参数从图中可以看出，加载方式为中央翼盒加载，同时在翼梢小翼部分挂载有铁球。
由于蒙皮的大小和外形给定，因此我们的设计目标为主承力件——梁的结构设计，以及梁、蒙皮和翼梢小翼的铺层设计，使得在满足受力条件的情况下，整体机翼质量尽可能的轻。
预浸料是用树脂基体在严格控制的条件下浸渍连续纤维或织物，制成树脂基体与增强体的组合物（复合材料）。
下面给出本次选择的碳纤维单向布预浸料型号：FAW100，RC40，SYT45；树脂含量：40%，纤维体积含量：60%；纵向拉伸强度1760MPa；纵向拉伸模量140GPa;横向拉伸强度51MPa，横向拉伸弹性模量9GPa；纵向压缩强度1100MPa；纵向压缩弹性模量135GPa；横向压缩强度130MPa；横向压缩弹性模量10GPa；面内剪切强度60MPa；面内剪切模量4.6GPa；层间剪切强度70MPa；泊松比0.32；固化后单层厚度0.1mm。
碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计
碳纤复合材料汽车蓄电池壳体优化设计胡仁祥，周金宇（江苏理工学院常州市装备再制造工程重点实验室，江苏常州213001）摘要：碳纤维增强复合材料具有比强度高、比模量高、耐腐蚀性好等诸多优异性能，在汽车结构中得到了广泛的应用。
利用Altair OptiStruct 软件建立了电池壳体有限元模型，对汽车蓄电池壳体结构进行了优化设计。
整个汽车蓄电池壳体优化过程包括三个阶段：概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。
首先，在概念设计阶段利用自由尺寸优化模块确定了铺层块的形状；然后，在系统设计阶段利用尺寸优化模块完成了铺层厚度的优化；最后，在详细设计阶段利用铺层顺序优化模块完成了铺层顺序的优化。
优化结果表明，通过优化设计能减轻电池壳体的重量，减重比高达66%，优化效果明显。
关键词：复合材料；蓄电池壳体；有限元建模；优化设计1 引言碳纤维复合材料具有比强度大、可设计性强等优良性能，越来越受到国内外汽车行业的重视[1]。
碳纤维复合材料的诸多优点决定了在汽车零件中将会获得获得越来越多的应用。
目前常用优化软件，如Ansys、Patran/Nastran、等能够对复合材料纤维角度和纤维厚度进行优化[2]，而OptiStruct软件不仅仅能够对复合材料纤维角度和纤维厚度进行优化，还能对铺层的顺序进行优化等，从而解决了很多复合材料优化设计的难题。
以汽车蓄电池壳体作为研究对象，采用碳纤维复合材料替代金属材料，利用HyperMesh软件创建汽车蓄电池壳体模型，然后用OptiStruct软件对壳体结构进行了优化设计。
电池壳体优化过程包括三个阶段：概念设计阶段、系统设计阶段、详细设计阶段。
通过优化后与优化前的结果对比，优化后明显减小了汽车蓄电池壳体的质量，实现了轻量化的目标。
2 电池壳体有限元模型的建立在对汽车蓄电池壳体进行优化设计之前，需要建立电池壳体的有限元模型并对其进行模态和静力分析，得到电池壳体优化前质量、位移。
2.1 有限元模型电池壳体由壳体底板、壳体筋条以及壳体其他部分构成，整个电池壳体都采用碳纤维复合材料。
国产T700炭纤维复合材料发动机壳体强度设计及成型工艺
国产T700炭纤维复合材料发动机壳体强度设计及成型工艺林松;张琳;高志琪;孙艳荣;李文斌【摘要】为推进国产T700炭纤维在发动机壳体上的应用,针对其进行复合材料缠绕成型的带距与张力等关键工艺参数设计,并进行复合材料试验及工艺优化,得到发动机壳体缠绕成型的工艺及关键设计参数.基于以上参数采用网格理论进行发动机壳体的强度设计,缠绕成型φ150 mm发动机壳体,并进行水压爆破试验验证.结果表明,国产T700炭纤维的缠绕张力与带距等对复合材料力学性能影响较大,起始缠绕张力30 N每层递减0.5 N以及缠绕设计带距为2.5 mm为最佳缠绕工艺参数,经工艺优化的国产T700炭纤维的强度发挥率高达83.2％,采用优化后的工艺参数制备的发动机壳体的爆破压强达到36.5 MPa,容积特征系数(pV/W)高达43.6 km,具有较高的结构效率.所得工艺及关键设计参数可为国产T700炭纤维在发动机壳体等高压容器上的应用提供借鉴.【期刊名称】《固体火箭技术》【年(卷),期】2018(041)005【总页数】7页(P614-620)【关键词】缠绕张力;缠绕带宽;NOL环;发动机壳体【作者】林松;张琳;高志琪;孙艳荣;李文斌【作者单位】北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;北华航天工业学院材料科学与工程,廊坊065000;航天材料及工艺研究所,北京100076【正文语种】中文【中图分类】V2580 引言与传统金属材料相比，炭纤维缠绕复合材料具有高比强度与比模量，广泛用于化学工业和航空航天等领域[1-3]。
航天高性能复合材料发动机壳体通常采用炭纤维缠绕成型，可以极大地减少发动机消极质量，目前大部分采用进口高性能的T700级及其以上炭纤维[4-6]，受国外进口原材料限制影响，应用国产化纤维是必然趋势。
当前，国产T700炭纤维已经实现批产，但其在缠绕成型发动机壳体上的报道有限，主要是由于其原材料、生产工艺以及上浆剂等与进口炭纤维存在差异，导致其缠绕成型的复合材料性能低于进口纤维。
碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证
碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能的试验验证吕晓江;刘卫国;杨海燕;孙立志;周大永【摘要】In order to study the pedestrian protection performance of hood made of carbon fiber reinforced plastic (CFRP), we perform test validation and compare it with metal hood of the same structure. Test results show that using CFRP hood, the synthetic acceleration peak value of the pedestrian’s head is 30% lower than that of the metal hood on average, this is more helpful to reduce the injury to the head with similar position of reinforced structure. CFRP hood has little influence on the engine cabin package, and this kind of hood can ensure the integrity of the structure after being impacted by head of pedestrian, which is conducive to reduce the maintenance cost.%为研究碳纤维复合材料发动机罩行人保护性能，与同结构金属发动机罩进行了对比试验验证。
试验结果表明，碳纤维复合材料发动机罩的头部合成加速度峰值比金属发动机罩平均低30%，在结构加强位置类似的情况下，其更有利于降低头部伤害值；碳纤维复合材料发动机罩对发动机舱内布置影响较小；碳纤维复合材料发动机罩在受到行人头部冲击后能够保证结构的完整性，有利于降低事故维修成本。
地铁车辆司机室碳纤维复合材料头罩的分步优化设计
地铁车辆司机室碳纤维复合材料头罩的分步优化设计王文斌;冀温源;张栋栋;赵红伟【摘要】以某款地铁车辆司机室头罩结构为研究对象,通过自由尺寸优化、尺寸优化以及铺层顺序优化,结合制造约束和工程经验,对碳纤维内外面板的铺层方向、厚度及顺序进行优化,得到最终设计方案.仿真结果表明,在满足强度、刚度和稳定性要求下,优化得到的复合材料司机室头罩相比优化前质量下降27％,比原玻璃纤维材质头罩质量下降37％,达到了较理想的轻量化效果.【期刊名称】《城市轨道交通研究》【年(卷),期】2018(021)011【总页数】5页(P27-31)【关键词】地铁车辆;司机室头罩;碳纤维复合材料;轻量化;优化设计【作者】王文斌;冀温源;张栋栋;赵红伟【作者单位】同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海;同济大学铁道与城市轨道交通研究院,201804,上海;中车青岛四方机车车辆股份有限公司,266111,青岛【正文语种】中文【中图分类】U270.2随着我国轨道交通行业的快速发展，以及节能降耗和环境友好等新型发展理念的提出，车辆结构轻量化已成为现代车辆设计与制造关注的热点[1]。
碳纤维复合材料具有质量轻、强度高、耐腐蚀、成本低，以及易于设计、加工、改型等特点[2]，用以制造列车结构件，是实现车体轻量化的重要手段。
作为非承载结构以板壳形式设计的列车司机室头罩，非常适合采用碳纤维复合材料进行轻量化设计。
文献[3]分析了现有城市轨道交通车辆对司机室结构的要求及其优缺点，提出了新材料碳纤维复合材料司机室，并给出了实施方案。
文献[4]根据高速列车头罩的外部形状、内部连接要求和受载条件，对碳纤维复合材料车头罩的结构进行设计。
文献[5]在满足司机室强度设计要求的前提下，采用碳-玻璃混合纤维复合材料设计了一种地铁车辆司机室头罩新型结构，显著地减轻了司机室的结构质量。
但现有的研究主要集中在复合材料的选择和复合材料司机室头罩的结构性能分析上，对于碳纤维复合材料在设计过程中的材料布局、铺层方向和铺层顺序等可设计性分析言之甚少，未能充分发挥碳纤维复合材料的轻量化潜能。
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武汉理工大学毕业设计（论文）碳纤维复合材料车身覆盖件优化设计研究学院（系）：汽车工程学院专业班级：车辆工程1004班学生姓名：**指导教师：**学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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作者签名：年月日导师签名：年月日摘要能源和环境问题是当今人类面临的巨大挑战。
随着对汽车燃油经济性和排放控制要求的不断提高，汽车轻量化对于节能、减排具有重要意义。
碳纤维复合材料，由于其低的密度和优异的力学性能，已成为汽车轻量化中最具潜力的材料。
本文基于等代设计法，首先在不同工况下对比分析了分别采用高强度钢和碳纤维复合材料车身简化模型的静态特性和动态特性，得到了不同材料模型的刚度和模态的相关参数；其次，在不同工况下对比分析了分别采用高强度钢和碳纤维复合材料发动机罩的静态特性和动态特性，得到了不同材料模型刚度和模态的相关参数。
同时依据前述碳纤维复合材料发动机罩工况特点，对比分析了采用不同铺层厚度、不同中间层厚度、不同铺层次序的发动机罩模型的静态和动态特性，得到了发动机罩层合板的力学性能参数随不同铺层厚度、中间层厚度、铺层次序的变化规律。
在所得到的对比分析规律的基础上，对碳纤维复合材料发动机罩进行了结构优化设计，通过自由尺寸优化、尺寸优化、铺层次序优化后得到了最终的碳纤维复合材料发动机罩模型，且对比分析了优化前后的发动机罩轻量化效果。
本文的研究结果表明，碳纤维复合材料与高强度钢相比，在结构适当减重的情况下可有效的满足汽车车身及发动机罩力学性能等方面的相关要求，同时采用合适的结构优化设计方法可使碳纤维复合材料发动机罩在力学性能稳定的前提下有效减重。
上述分析与优化设计结果对于汽车轻量化的设计和制造具有重要的借鉴和指导意义。
关键词：碳纤维复合材料；高强度钢；车身；发动机罩；优化设计IAbstractEnergy and environmental problems are great challenges mankind faced with today. With the increasing requirement for the automobile fuel economy and the emission control，lightweight of automobile is of great significance for energy conservation and emission reduction. The carbon fiber reinforced plastic，which is of low density and excellent mechanical properties，has become the most promising automotive lightweight material.Based on the equivalent design method，first，the article has given a contrast analysis of the static and dynamic characteristics of simplified body model which are respectively used high strength steel(HSS) and carbon fiber reinforced plastic(CFRP) under the different working conditions and get the related parameter of stiffness and modal on the different model；second，the paper has done a comparative analysis of the static and dynamic characteristics static of engine hood model which is respectively used HSS and CFRP under the different working conditions and get the related parameter of stiffness and modal on the different model .According to the conditions of the CFRP engine hood，the paper has compared static and dynamic characteristics of the CFRP engine hood with different ply angles，different core layer thickness and different ply sequence and obtained the mechanics properties with the variation of parameter described before. Through the result of the comparative analysis，the final CFRP engine hood is rebuilt by free size optimization，size optimization and composite shuffle optimization and then give a contrast analysis of the lightweight effect before and after optimization .The results of this paper indicate that compared with HSS model，CFRP model can effectively meet the requirements of mechanical properties on body and engine hood in the case of proper weight loss. At same time，by the use of appropriate structural optimization method，the CFRP engine hood can effectively lose the weight with stable mechanical properties. The above analysis and optimization results have valuable reference and guidance for the automotive lightweight design and manufacturing.Key word：CFRP；HSS；Body；Engine hood；Optimization DesignII目录摘要.................................................................................................................................... I Abstract................................................................................................................................. II 目录.......................................................................................................................................... I 第1章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2国内外研究现状 (2)1.2.1 复合材料结构优化设计研究现状 (2)1.2.2碳纤维复合材料在汽车上应用现状 (2)1.3 课题来源、目的及意义 (5)1.3.1 课题来源 (5)1.3.2 课题研究目的及意义 (5)1.4 本文研究的方法和内容 (5)1.4.1 本文研究的方法 (5)1.4.2 本文研究的内容 (5)1.5本章小结 (6)第2章复合材料力学基础 (7)2.1复合材料简介 (7)2.2正交各向异性材料力学基础 (7)2.2.1弹性主轴 (7)2.2.2正交各向异性材料的应力和应变关系 (7)2.3复合材料单向板力学基础 (10)2.3.1单向板的正轴应力与应变关系和刚度 (10)2.3.2单向板的偏轴应力与应变关系 (11)2.4复合材料层合板力学基础 (12)2.4.1层合板的刚度 (12)2.4.2层合板的强度 (13)2.5本章小结 (14)第3章高强度钢与碳纤维复合材料车身对比分析 (15)3.1高强度钢与碳纤维复合材料车身有限元建模 (15)3.1.1车身结构 (15)I3.1.2网格划分 (16)3.1.3高强度钢车身材料选用 (19)3.1.4复合材料选用及层合板设计 (19)3.2高强度钢与碳纤维复合材料车身刚度对比分析 (21)3.2.1载荷工况 (22)3.2.2分析结果 (23)3.3高强度钢与碳纤维复合材料车身模态对比分析 (24)3.3.1模态分析基本介绍 (24)3.3.2模态分析基本理论 (25)3.3.3 车身模态分析 (26)3.4本章小结 (28)第4章高强度钢与碳纤维复合材料发动机罩对比分析 (29)4.1高强度钢与碳纤维复合材料发动机罩有限元建模 (29)4.1.1发动机罩结构 (29)4.1.2网格划分 (29)4.1.3高强度钢发动机罩材料 (30)4.1.4碳纤维复合材料发动机罩材料选用及层合板设计 (30)4.2高强度钢与碳纤维复合材料发动机罩刚度对比分析 (32)4.2.1载荷工况 (32)4.2.2分析结果 (33)4.3高强度钢与碳纤维复合材料发动机罩模态对比分析 (36)4.4本章小结 (37)第5章碳纤维复合材料发动机罩结构参数分析 (38)5.1发动机罩铺层厚度分析 (38)5.1.1 模型建立 (38)5.1.2 结果分析 (38)5.2发动机罩中间层厚度分析 (41)5.2.1模型建立 (41)5.2.2结果分析 (44)5.3发动机罩铺层次序分析 (44)5.2.1模型建立 (44)5.2.2结果分析 (46)5.4 本章小结 (46)II第6章碳纤维复合材料发动机罩优化设计 (47)6.1 Optistruct设计方法 (47)6.1.1 Optistruct设计方法概述 (47)6.1.2 Optistruct优化流程 (47)6.1.3 Optistruct复合材料优化流程 (48)6.2 基于Optistruct的碳纤维复合材料发动机罩优化设计 (49)6.2.1概念设计阶段 (49)6.2.2系统设计阶段 (51)6.2.3详细设计阶段 (52)6.3本章小结 (55)第7章总结与展望 (56)7.1总结 (56)7.2展望 (57)参考文献 (58)致谢 (60)攻读学士期间科研成果 (61)III第1章绪论1.1引言随着汽车保有量的迅猛增加，汽车在人们的出行带来便利的同时，也加剧了能源、环境、安全等方面的问题[1]。