基于碳纤维无纺布增强复合材料的多尺度一体化设计

摘要

日益增长的汽车总量导致能源和环境问题日趋严重，轻量化是实现节能环保目标的有效手段。碳纤维增强复合材料凭借其高强度、高模量和低密度等一系列优异的性能，被认为是一种潜在的汽车轻量化替代材料。然而，昂贵的成本和复杂的制造工艺流程阻碍了传统碳纤维复合材料在车身零部件上的大规模生产与应用。本文引入了一种碳纤维无纺布增强平面各向同性复合材料，并提出了一种多尺度多目标优化方法，实现了汽车零部件的轻量化设计和力学性能的改善，进一步推动汽车轻量化的进程。　　本文对碳纤维无纺布增强复合材料进行了系统的研究。低成本和快速制造的优点使其在车身零部件上大规模应用成为可能，平面内各向同性的特征使其在实际复杂的服役环境下有更好的力学性能表现。利用均匀化方法的有限元实现，对碳纤维无纺布增强复合材料的力学性能进行预测，并通过拉伸试验对预测结果进行验证，对高精度均匀化模型的适应范围进行了详细的讨论。在有效的体积分数范围内，通过有限元仿真详细分析了复合材料的微观参数与宏观性能的映射关系。结果表明，复合材料的体积分数对性能的收益较大，纤维长径比对材料性能的影响存在一个临界值。　　为突破传统单尺度下的优化极限,本文充分考虑宏观尺度与微观结构之间的耦合影响。从多尺度的角度出发，实现部件宏观厚度与材料微观体积分数的一体化设计，最大化输出材料的潜能。最后，将碳纤维无纺布应用到汽车发动机罩的优化设计中。通过施加相应的约束和载荷，对发动机罩的侧向刚度、扭转刚度和模态等性能进行分析。以满足各工况性能要求为约束，以降低部件质量，提高侧向刚度为目标，采用非支配排序遗传算法II(NSGA-II)对宏观尺度下的部件厚度和微观尺度下的体积分数进行并发优化。优化结果表明，与普通钢制发动机罩相比，复合材料发动机罩质量减轻了38%，同时具有更好的刚度和强度性能。本文所做的工作，实现了汽车发动机罩的性能改善和轻量化设计，同时对实现碳纤维无纺布增强复合材料在车身零部件上的应用具有一定的借鉴作用。

目录

声明

第 1 章 绪 论

1.1论文研究的背景和意义

1.2国内外研究现状

1.2.1碳纤维复合材料在汽车轻量化上的应用

1.2.2复合材料的研究现状

1.3本文主要研究内容

1.4研究意义和创新点

1.5本章小结

第 2 章 复合材料基础与均匀化理论

2.1复合材料概念

2.2常见的增强相与基体相

2.3复合材料的力学理论

2.3.1.弹性力学基础

2.3.2.周期性边界条件

2.3.3.均匀化理论

2.3.4拉伸实验

2.4本章小结

第 3 章 碳纤维无纺布复合材料力学性能分析

3.1横观各向同性特征

3.2均匀化方法预测性能参数

3.2.1微观模型

3.2.2实验验证与分析

3.3微观参数对宏观性能的影响

3.4本章小结

第 4 章 复合材料的多尺度多目标优化设计

4.1复合材料优化设计概述

4.2材料结构多尺度一体化设计

4.3.多目标优化

4.3.1 基本概念

4.3.2 优化算法

4.3.3 Isight 集成优化

4.4本章小结

第 5 章 复合材料发动机罩的优化设计

5.1发动机罩的有限元分析

5.1.1发动机罩的有限元建模

5.1.2发动机罩的分析工况

5.2碳纤维发动机罩的优化设计

5.2.1优化问题的定义

5.2.1多尺度优化流程

5.2.2结果与分析

5.3本章小结

第 6 章 总结与展望

6.1本文工作总结

6.2不足与展望

参考文献

致 谢