扭轉(zhuǎn)梁懸架碳纖維復合材料橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

扭轉(zhuǎn)梁懸架碳纖維復合材料橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化[摘要]鑒于碳纖維增強復合材料(CFRP)輕質(zhì)高強的特點，本文中將某乘用車扭轉(zhuǎn)梁懸架原鋼質(zhì)橫梁用碳纖維復合材料替代，并進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。首先，通過碳纖維增強復合材料層合板力學性能試驗獲得材料力學參數(shù)，建立懸架扭轉(zhuǎn)梁有限元模型，并對扭轉(zhuǎn)梁中的碳纖維復合材料橫梁截面進行改進設計。在此基礎上，綜合考慮橫梁質(zhì)量、剛度和工藝約束，對CFRP橫梁進行鋪層厚度、角度和鋪層順序的多層次優(yōu)化。優(yōu)化后，在滿足各項性能指標的情況下，碳纖維增強復合材料橫梁比原鋼質(zhì)橫梁輕量79.34%，取得顯著的輕量化效果。關(guān)鍵詞：扭轉(zhuǎn)梁懸架；CFRP橫梁；鋪層優(yōu)化；輕量化前言為滿足節(jié)能與環(huán)保的要求，輕量化已成為汽車領域的研究熱點。實現(xiàn)汽車輕量化的技術(shù)途徑主要包括結(jié)構(gòu)輕量化設計、應用輕質(zhì)材料和采用先進的制造工藝[14]。在輕量化材料中碳纖維增強復合材料(carbonfiberreinforcedplastic,CFRP)因其良好的可設計性和優(yōu)異的力學性能，尤其適合于電動汽車結(jié)構(gòu)件，是汽車輕量化技術(shù)的重點研究方向之一舊]。碳纖維增強復合材料具有密度低、比強度高、減振性好和抗疲勞能力強等諸多優(yōu)點，國內(nèi)夕卜學者針對碳纖維增強復合材料汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計已開展了許多研究工作。Hartmann等將碳纖維復合材料應用于電池箱結(jié)構(gòu)，提高了電池箱[8]的性能。Liu等基于多種工況研究了碳纖維織物增強復合材料保險杠的結(jié)構(gòu)優(yōu)[9]化設計方法。Wu等研究了碳纖維增強復合材料車門的材料鋪層優(yōu)化設計方[10]法。程章等運用自由尺寸優(yōu)化方法對汽車翼子板分區(qū)域進行了優(yōu)化設計。肖志[11]等基于汽車頂蓋雪壓性能需求，對碳纖維復合材料頂蓋展開了多層次鋪層優(yōu)化[12]設計。扭轉(zhuǎn)梁是汽車懸架的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)件，應用輕量化材料對其進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，不僅可直接降低汽車能耗、提高動力性，還可提升汽車的操縱性和舒適性等整車動力學性能。本文中以某乘用車懸架扭轉(zhuǎn)梁作為研究對象，考慮到碳纖維增強復合材料輕質(zhì)高強的特點，將扭轉(zhuǎn)梁懸架原鋼質(zhì)材料橫梁用碳纖維增強復合材料替代，并對CFRP橫梁截面進行結(jié)構(gòu)改進設計。在此基礎上，以橫梁質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，同時考慮剛度和制造工藝約束，通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化對CFRP橫梁進行鋪層優(yōu)化設計，獲得最優(yōu)鋪層方案，實現(xiàn)扭轉(zhuǎn)梁懸架碳纖維增強復合材料橫梁的輕量化設計。1碳纖維復合材料力學性能試驗1.1CFRP樣件制備為準確分析碳纖維復合材料構(gòu)件的結(jié)構(gòu)性能，對碳纖維增強復合材料層合板進行單向拉伸和面內(nèi)剪切試驗，以獲得碳纖維復合材料力學參數(shù)。選取T300斜紋機織碳纖維布和E51環(huán)氧樹脂，采用真空輔助成型工藝將8層碳纖維布制備成厚度為1.92mm的CFRP層合板，并制作試樣，如圖1所示。由）制備拭程 由）拉伸試轂樣件 翦切試驗祥怦圖1CFRP層合板制備及其樣件

1.2力學性能試驗采用電子萬能試驗機進行碳纖維增強復合材料層合板單向拉伸和面內(nèi)剪切力學性能試驗，其中單向拉伸試驗參考標準ASTMD3039/D3039M—14[13]面內(nèi)剪切試驗參考標準ASTMD3518/D3518M—13[14],拉伸速率設置為2mm/min,試驗過程如圖2所示。根據(jù)試驗結(jié)果計算得到數(shù)值模擬所需碳纖維增強復合材料力學參數(shù)，如表1所示。GO單向拉伸試船 (&｝面內(nèi)的切試酷圖2CFRP層合板力學性能試驗表1碳纖維增強復合材料力學參數(shù)參數(shù)教值密度/'(g?rin-J)1.65縱向彈性模51.77橫向彈性模出皿51.77主誼松比0.0369縱向拉伸拯度/Mhi757.0S橫向拉伸掩度FMPa757.08卯切攪量/'G如2.07乾切強度/MPa39.022扭轉(zhuǎn)梁懸架橫梁結(jié)構(gòu)改進設計2.1扭轉(zhuǎn)梁有限元模型的建立選取某乘用車扭轉(zhuǎn)梁懸架為研究對象，該扭轉(zhuǎn)梁主要由U型橫梁、縱臂、彈簧座、減振器座、輪轂安裝板和襯套筒構(gòu)成，將其幾何模型導入到HyperMesh軟件中，采用殼單元進行網(wǎng)格劃分，共劃分單元6494個，節(jié)點數(shù)為7919,建立扭轉(zhuǎn)梁有限元模型，如圖3所示。2.2CFRP橫梁初始設計選取扭轉(zhuǎn)梁中U型橫梁結(jié)構(gòu)進行碳纖維增強復合材料替換，進行初始設計和結(jié)構(gòu)性能對比分析。原鋼質(zhì)橫梁材料為高強度鋼，橫梁原始厚度為6mm，其力學性能如表2所示。在初始設計階段，對碳纖維增強復合材料橫梁采用經(jīng)典鋪層順序［0°/45。/-45。/90°］進行鋪層設計，單層厚度為0.2mm,共鋪設32層，得到CFRP橫梁總厚度為6.4mm。演振器座圖3扭轉(zhuǎn)梁有限元模型表2鋼質(zhì)橫梁材料基本性能材料密度/(g*[Til"3)城性模量/MPa泊松比屈服強度/'MKi高強度鋼7.852.(}6xins0.283052.3結(jié)構(gòu)性能對比分析分別從模態(tài)、剛度和最大應力3個方面對比分析原鋼質(zhì)橫梁和CFRP橫梁的結(jié)構(gòu)性能。模態(tài)分析是在自由邊界條件下進行計算，選取第1階模態(tài)頻率作為評價指標。剛度分析包括彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，其中彎曲剛度又分為縱向（x向）和垂向（z向）。最大應力分析包括加速、制動、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和最高車速共4種工況，采用慣性釋放法進行仿真，4種工況下扭轉(zhuǎn)梁受力情況如表3所示。表34種工況下扭轉(zhuǎn)梁施加的載荷位置方向加速/N制動小穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)八最高豐速ZN車身492.S5i072.91-620.3?477.43fy8.78-26.311560.17.51194.62785.71-522.05-4.18彈簧2756.762327.%2346.W2341.95減振器124.7559.0913.29-20.69忙輪F,-1107.5192S.IR-620,38-17.51Fy492.85-109.311079-28-115.4?3237,622763.062784,472779.37通過有限元分析，計算得到兩種材料橫梁（鋼和U型CFRP）的質(zhì)量、模態(tài)、剛度和最大應力仿真結(jié)果，如表4所示。由仿真結(jié)果可知，直接將材料替換為碳纖維復合材料的橫梁輕量效果明顯，但其結(jié)構(gòu)性能有所降低，尤其是扭轉(zhuǎn)剛度降幅很大，未能充分發(fā)揮碳纖維復合材料高強度、高模量的優(yōu)點，需要對橫梁結(jié)構(gòu)進行改進設計。表4橫梁結(jié)構(gòu)性能對比

材料鋼CFRP_LCFRP_S橫梁質(zhì)量/'屈9一392.122.221階模態(tài)頻率/IIf.137.)4149.316,81彎曲剛度/(N-mm-1)JC向5269.634明。一005()36.()7￡向33087.0231994.7932230.82扭轉(zhuǎn)剛度/（N*mm?（。尸）30920.86?910.1335510.12最大應力/MPa加速3652369632.4S61.7747.7133一51柩態(tài)回轉(zhuǎn)]2,758.433.42最高車速46.5739,2926.122.4CFRP橫梁改進設計將碳纖維復合材料應用于扭轉(zhuǎn)梁懸架橫梁結(jié)構(gòu)時，繼續(xù)采用U型截面結(jié)構(gòu)，扭轉(zhuǎn)梁懸架抗扭性能遠達不到使用要求。因此，為提高橫梁抗扭性能，根據(jù)截面幾何特性將橫梁原U型截面改進為抗扭性能更好的S型截面結(jié)構(gòu)，改進前后的橫梁截面幾何形狀如圖4所示。通過有限元仿真分析計算得到S型截面橫梁結(jié)構(gòu)性能（見表4中最后一欄），可以發(fā)現(xiàn)橫梁彎曲剛度略有增大，而抗扭剛度則大幅提升（為U型橫梁的12.2倍），但橫梁質(zhì)量略有增大，因此有必要對扭轉(zhuǎn)梁S型CFRP橫梁進行鋪層優(yōu)化，以期在保證結(jié)構(gòu)性能的同時，進一步降低橫梁質(zhì)量。圖4改進前后橫梁截面幾何形狀3CFRP橫梁鋪層優(yōu)化3.1鋪層優(yōu)化基本原則碳纖維增強復合材料橫梁鋪層優(yōu)化主要分自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和復合材料鋪層順序優(yōu)化3個步驟，根據(jù)碳纖維復合材料設計和制造工藝要求，CFRP橫梁鋪層優(yōu)化設計過程中，需考慮以下基本原則。（1）鋪層定向原則。盡量多采用0°、45°、-45°、90°4種經(jīng)典鋪層角度，在滿足受力的前提下減少鋪層角度種類，提高工作效率。（2） 均衡性原則。在設計時平衡±45°鋪層，以消除彎扭耦合效應。（3） 主應力原則。纖維取向盡量與構(gòu)件承載力方向一致，充分發(fā)揮復合材料的承載性能。（4）鋪層順序原則。同一方向鋪層不能連續(xù)出現(xiàn)2層以上，以防層合板分層、開裂等情況發(fā)生。3.2自由尺寸優(yōu)化采用OptiStruct優(yōu)化軟件對S型截面CFRP橫梁層合板結(jié)構(gòu)進行自由尺寸優(yōu)化，獲取每種典型鋪層角度的最佳鋪層厚度，以使CFRP橫梁較好的滿足剛度要求。在自由尺寸優(yōu)化過程中，由于該優(yōu)化軟件只能減薄材料而不能增厚材料，因此，將總厚度增加至7.2mm。定義0°、45°、-45°、90°4個典型鋪層角度的超級層，各層厚度均為1.8mm，橫梁質(zhì)量相應增大至2.49kg。在自由尺寸優(yōu)化階段，以質(zhì)量不大于S型CFRP橫梁質(zhì)量的90%為優(yōu)化約束，將扭轉(zhuǎn)工況橫梁柔度最小作為優(yōu)化目標。經(jīng)過優(yōu)化迭代，基本確定了橫梁鋪層形狀，其厚度不僅沿長度方向呈不均分布，而且每個截面沿S曲線的走向也是不等厚的。S型CFRP橫梁總厚度和各角度鋪層厚度分布如圖5所示。優(yōu)化后，S型CFRP橫梁質(zhì)量由2.49降低到2.11kg，輕量15.26%。3.3尺寸優(yōu)化通過自由尺寸優(yōu)化后，確定了S型碳纖維復合材料橫梁每種鋪層角度的不規(guī)則厚度，考慮到實際采用的可制造加工的單層碳纖維布厚度為0.2mm，再以質(zhì)量小于2kg為設計約束進行尺寸優(yōu)化，得到每種鋪層角度在給定鋪層厚度條件下的最佳鋪層數(shù)量和各角度每個鋪層的裁剪形狀。通過對自由尺寸優(yōu)化結(jié)果進行離散化處理，最終確定了S型碳纖維增強復合材料橫梁總鋪層數(shù)為31層，其中0°鋪層有7層，士45°和90°均有8層。經(jīng)過離散尺寸優(yōu)化，S型CFRP橫梁質(zhì)量又進一步降低至1.94kg。(C)±15^ 何"圖5橫梁總厚度和各角度鋪層厚度分布

3.4鋪層順序優(yōu)化碳纖維增強復合材料具有各向異性力學性能，為充分發(fā)揮碳纖維增強復合材料的可設計性，可通過鋪層順序優(yōu)化獲得CFRP結(jié)構(gòu)的最大剛度系數(shù)矩陣，使結(jié)構(gòu)的剛度達到最大。因此，對S型CFRP橫梁進行材料鋪層順序優(yōu)化，可在不改變橫梁質(zhì)量的情況下，進一步提升橫梁結(jié)構(gòu)性能。| 45°| 45°Ij0°I]-4j'、raicii切（h■ioi"11104g13102--2K-■12S5.-U心頑02偵0；14102-^205ItiCEusn■-M?1妃iM1410141BlTJ2WU!Qrt1曲Wfri1■那1Jy1圖6S型CFRP橫梁鋪層順序優(yōu)化結(jié)果經(jīng)過22次優(yōu)化迭代后獲得了S型CFRP橫梁的最佳材料鋪層順序，其中最后8次，即第15-22次迭代結(jié)果如圖6所示。圖中，不同顏色代表不同的鋪層角度，最終的最佳鋪層順序為［±45。/±45。/±45。/±45。/0。/0。/90°/90°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°/±45°/±45°/±45。/±45。]°4結(jié)果分析根據(jù)獲得的最佳鋪層方案重新設計s型碳纖維增強復合材料橫梁，通過有限元仿真分析，得到其質(zhì)量、模態(tài)頻率、彎扭剛度和最大應力，并計算相比于原鋼質(zhì)橫梁的性能變化，結(jié)果如表5所示。為300.71Hz，相比于原鋼質(zhì)橫梁有大幅度提升，其振動性能得到較好改善。S型CFRP橫梁彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度變化不大，最大相對變化量為-5.48%，均滿足性能設計要求。最大應力方面，將扭轉(zhuǎn)梁有限元模型中原鋼質(zhì)橫梁替換為優(yōu)化后的S型CFRP橫梁，并采用慣性釋放法仿真計算加速、制動、穩(wěn)態(tài)回轉(zhuǎn)和最高車速4個工況下的扭轉(zhuǎn)梁應力分布情況，仿真結(jié)果如圖7所示。由表5和圖7可知，優(yōu)化后S型CFRP橫梁的最大應力，除加速工況外，顯著低于鋼質(zhì)梁，且各工況下扭轉(zhuǎn)梁的最大應力遠小于材料的極限強度，計及安全系數(shù)后，強度仍滿足設計要求。質(zhì)量方面，通過截面改進設計、自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化，碳纖維增強復合材料橫梁在滿足結(jié)構(gòu)性能要求的情況下，質(zhì)量有較大幅度降低，如圖8所示。原鋼質(zhì)橫梁質(zhì)量為9.39kg，用U型CFRP替代后，減小至2.12kg，截面改為S型后，回升至2.22kg，由于優(yōu)化需要增加橫梁厚度，質(zhì)量又增至2.49kg，優(yōu)化后的S型CFRP橫梁質(zhì)量最終降低至1.94kg，比鋼質(zhì)橫梁輕量79.34%，輕量化效果顯著。圖7優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)梁應力云圖

12.001圖8材料替換和優(yōu)化前后橫梁質(zhì)量對比命12.001圖8材料替換和優(yōu)化前后橫梁質(zhì)量對比命6.00-? 卜優(yōu)也前優(yōu)也后S型CFRP S型￡FKP2.00-5結(jié)論（1肝展了碳纖維增強復合材料層合板試樣制備并進行了力學性