連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車(chē)頂蓋鋪層優(yōu)化*

肖志，杜慶勇，莫富灝，韋凱，楊旭靜，邢楊

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082)

連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車(chē)頂蓋鋪層優(yōu)化*

肖志，杜慶勇，莫富灝，韋凱，楊旭靜，邢楊

(湖南大學(xué)，汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長(zhǎng)沙410082)

本文中基于抗雪壓性能需求，對(duì)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車(chē)頂蓋結(jié)構(gòu)開(kāi)展了多層次鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)。首先，進(jìn)行了連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料力學(xué)性能試驗(yàn)和參數(shù)反求，并將分析所得應(yīng)力應(yīng)變曲線與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，結(jié)果誤差均在允許范圍之內(nèi)，驗(yàn)證了所選取的材料本構(gòu)模型參數(shù)的正確性。然后，以頂蓋質(zhì)量最小化為目標(biāo)，開(kāi)展了汽車(chē)頂蓋自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化，在優(yōu)化過(guò)程中同時(shí)兼顧了工藝約束和頂蓋剛度兩個(gè)方面的要求。優(yōu)化后，連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車(chē)頂蓋的質(zhì)量比原始鋼制件減輕了59.3%，頂蓋在加載過(guò)程中未出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象，滿足設(shè)計(jì)要求。

汽車(chē)頂蓋;碳纖維復(fù)合材料;鋪層優(yōu)化;剛度分析

前言

為減少汽車(chē)的能源消耗和對(duì)環(huán)境的污染，輕量化技術(shù)得到了廣泛關(guān)注。復(fù)合材料，尤其是連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(carbon fiber reinforced polymer，CFRP)的應(yīng)用是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要途徑。CFRP是一種可設(shè)計(jì)性較強(qiáng)的復(fù)合材料，其鋪層方式得到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛研究。

CFRP力學(xué)性能表現(xiàn)為各向異性，其力學(xué)性能與材料的微觀組分和鋪層方式有密切的關(guān)系，因此許多學(xué)者在鋪層優(yōu)化方面做了大量的研究工作。文獻(xiàn)［1］中使用微遺傳算法研究了汽車(chē)CFRP下擺臂鋪層順序?qū)ζ涑休d能力的影響并獲得最佳鋪層順序。文獻(xiàn)［2］中基于修正PSO算法和Kriging代理模型，對(duì)多工況CFRP保險(xiǎn)杠開(kāi)展了相關(guān)優(yōu)化研究。文獻(xiàn)［3］中基于Kriging模型采用遺傳算法對(duì)CFRP翼子板的鋪層形式開(kāi)展了相關(guān)研究工作。文獻(xiàn)［4］中使用PSOA算法對(duì)復(fù)合材料傳動(dòng)軸進(jìn)行了鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，并與遺傳算法結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，驗(yàn)證了算法優(yōu)勢(shì)與可行性。文獻(xiàn)［5］中使用優(yōu)化軟件對(duì)CFRP薄壁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化研究。近年來(lái)針對(duì)汽車(chē)CFRP構(gòu)件的優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析雖已經(jīng)開(kāi)展了不少研究，但關(guān)于汽車(chē)頂蓋的研究仍較少。文獻(xiàn)［6］中針對(duì)汽車(chē)CFRP頂蓋的生產(chǎn)工藝參數(shù)和生產(chǎn)制造過(guò)程進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)［7］中將CFRP與鋼材相結(jié)合并應(yīng)用到汽車(chē)頂蓋制造中，經(jīng)測(cè)試，其材料力學(xué)性能優(yōu)異且在汽車(chē)頂蓋抗壓潰工況中取得較好效果。迄今為止，CFRP優(yōu)化設(shè)計(jì)研究多是基于矩形板、傳動(dòng)軸等優(yōu)化算法的研究，很少有文獻(xiàn)結(jié)合工藝可行性開(kāi)展實(shí)際制件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。

本文中基于汽車(chē)CFRP頂蓋制造工藝可行性與抗雪壓性能需求，采用自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層間組合優(yōu)化相結(jié)合的多層次優(yōu)化方法對(duì)汽車(chē)CFRP頂蓋進(jìn)行了鋪層設(shè)計(jì)，以兼顧制件工藝要求與性能目標(biāo)。

1 CFRP力學(xué)性能測(cè)定

1.1 CFRP樣件制備

在數(shù)值分析過(guò)程中，材料本構(gòu)參數(shù)的正確獲取與分析結(jié)果的準(zhǔn)確性有著密切的關(guān)系，本文中為獲取材料數(shù)值模型本構(gòu)參數(shù)，采用試驗(yàn)與數(shù)值分析相結(jié)合的方法，對(duì)CFRP開(kāi)展相關(guān)研究。在CFRP板材制備試驗(yàn)中，碳纖維選用常州市宏發(fā)縱橫新材料科技股份有限公司生產(chǎn)的CC-P400－12，樹(shù)脂選用惠柏新材料科技(上海)股份有限公司生產(chǎn)的環(huán)氧樹(shù)脂LTC-6010A/B。在材料制備過(guò)程中，依次在真空輔助成型工藝平臺(tái)上鋪放下脫模布、碳纖維材料、上脫模布、導(dǎo)流網(wǎng)和真空袋等，當(dāng)密封性和壓力達(dá)到要求的條件時(shí)注入樹(shù)脂，并在適宜的條件下進(jìn)行固化處理，從而制備試驗(yàn)用CFRP板材，如圖1所示。材料制備平臺(tái)溫度為35℃，預(yù)固化時(shí)間為4h，后固化溫度為80℃，后固化時(shí)間為4h。

1.2 力學(xué)性能試驗(yàn)與參數(shù)反求

在制備試樣板材基礎(chǔ)上，為正確獲取CFRP數(shù)值模型本構(gòu)參數(shù)，開(kāi)展了材料單向拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲力學(xué)性能試驗(yàn)，并根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果反求材料本構(gòu)參數(shù)，從而保證數(shù)值分析模型參數(shù)的準(zhǔn)確性。CFRP單向拉伸試驗(yàn)和三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)分別在微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)CMT5105和CMT4304上進(jìn)行。其中，單向拉伸試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3354—1999［8］進(jìn)行，拉伸速率為2mm/min，環(huán)境溫度為23℃，樣件選用標(biāo)距(測(cè)量長(zhǎng)度)為50mm、厚度為1.96mm的8層CFRP試樣。三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)參照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1449—2005［9］進(jìn)行，加載速率為2mm/min，環(huán)境溫度為23℃，樣件選用跨距為26mm、厚度為2.01mm的8層CFRP試樣，試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖1CFRP板材制備及其試樣

圖2 材料力學(xué)性能試驗(yàn)與分析對(duì)比曲線

由于材料試驗(yàn)只能獲得試件的宏觀應(yīng)力應(yīng)變曲線等數(shù)據(jù)，而無(wú)法獲得試件全場(chǎng)的應(yīng)力應(yīng)變分布和損傷演化的具體過(guò)程。本文中基于有限單元法建立了CFRP力學(xué)性能數(shù)值分析模型，在力學(xué)性能試驗(yàn)基礎(chǔ)上通過(guò)材料數(shù)值模擬反求材料本構(gòu)參數(shù)，其流程如圖3所示。

圖3 材料參數(shù)反求流程圖

在CFRP數(shù)值分析過(guò)程中，通過(guò)定義殼單元沿厚度方向的積分點(diǎn)數(shù)量來(lái)定義復(fù)合材料鋪層數(shù)量，一個(gè)積分點(diǎn)代表一個(gè)復(fù)合材料鋪層，每個(gè)積分點(diǎn)處的材料坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)角度代表單層碳纖維的鋪層方向角［10］。CFRP失效模擬方式為Chang-Chang失效準(zhǔn)則［11－12］，該準(zhǔn)則包含了4種失效準(zhǔn)則，即纖維拉伸破壞、纖維壓縮破壞、基體開(kāi)裂和基體擠壓［13－14］，該失效準(zhǔn)則的具體表達(dá)式如下。

對(duì)于纖維拉伸模式σ11＞0，則E1=E2=E12=μ12= μ21=0且判斷

對(duì)于纖維壓縮模式σ11≤0，則E1=μ12=μ21=0且判斷

對(duì)于基體拉伸模式σ22＞0，則E2=μ21=G12=0且判斷

對(duì)于基體壓縮模式σ22≤0，則E2=μ21=μ12=G12=0且判斷

式中:E1，E2，E12分別為縱向彈性模量、橫向彈性模量、面內(nèi)剪切模量;β為剪切應(yīng)力比例系數(shù)，可人為地定義在纖維拉伸模式下剪切所占的權(quán)重，當(dāng)β=1時(shí)，計(jì)算失效準(zhǔn)則相當(dāng)于Hashin失效準(zhǔn)則，當(dāng)β=0時(shí)，式(1)將等效為最大應(yīng)力準(zhǔn)則，通常情況下，β無(wú)法通過(guò)試驗(yàn)來(lái)獲取，需要經(jīng)過(guò)試錯(cuò)法進(jìn)行標(biāo)定;μ12，μ21分別為主泊松比及次泊松比;Ftu1，F(xiàn)tu2，F(xiàn)cu1，F(xiàn)cu2，F(xiàn)su12分別為縱向拉伸強(qiáng)度、橫向拉伸強(qiáng)度、縱向壓縮強(qiáng)度、橫向壓縮強(qiáng)度、面內(nèi)剪切強(qiáng)度;σ11，σ22和σ12分別為材料在軸向方向、橫向方向和面內(nèi)方向承受的應(yīng)力;ef，ec，em，ed分別為各模式下判斷失效與否的參數(shù)。采用LS-DYNA軟件對(duì)CFRP力學(xué)性能進(jìn)行數(shù)值分析，并經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，材料力學(xué)性能試驗(yàn)與數(shù)值模擬如圖4所示，反求所得材料力學(xué)性能參數(shù)如表1所示。通過(guò)力學(xué)性能試驗(yàn)與數(shù)值分析曲線(如圖2所示)對(duì)比可以看出，CFRP在準(zhǔn)靜態(tài)拉伸斷裂前，應(yīng)力應(yīng)變曲線趨近于線性變化，材料表現(xiàn)為線彈性性質(zhì)，無(wú)明顯的屈服特征。同時(shí)，由準(zhǔn)靜態(tài)單向拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線可以明顯看出CFRP斷裂失效表現(xiàn)為明顯的脆性斷裂特征。

圖4 材料力學(xué)性能試驗(yàn)與仿真分析

表1 CFRP力學(xué)性能參數(shù)

2 CFRP汽車(chē)頂蓋數(shù)值模型

采用ABAQUS軟件對(duì)汽車(chē)頂蓋進(jìn)行雪壓分析時(shí)，取車(chē)身上半部作為研究對(duì)象，網(wǎng)格基本尺寸為5mm×5mm，四邊形單元和三角形單元類(lèi)型分別為S4R和S3，CFRP制件與鋼制件之間采用膠粘模擬，膠粘單元類(lèi)型選為COH3D8，對(duì)車(chē)身側(cè)圍截?cái)辔恢眉s束X，Y，Z 3個(gè)方向的平動(dòng)，評(píng)判頂蓋在重力載荷、1.28kPa的雪壓工況及卸掉雪壓載荷3種工況條件下CFRP汽車(chē)頂蓋是否會(huì)發(fā)生屈曲現(xiàn)象，雪壓分析有限元模型如圖5所示。加載過(guò)程中，根據(jù)汽車(chē)頂蓋在室外積雪過(guò)程的實(shí)際情況，將一個(gè)復(fù)雜的非線性動(dòng)載問(wèn)題簡(jiǎn)化為分布均勻加載的靜態(tài)剛強(qiáng)度試驗(yàn)問(wèn)題。同時(shí)，將乘用車(chē)頂蓋積雪這一隨機(jī)過(guò)程量化，通過(guò)分析加載前后頂蓋位移變化來(lái)評(píng)判頂蓋在積雪過(guò)程中是否出現(xiàn)永久變形和屈曲現(xiàn)象，以此來(lái)評(píng)判優(yōu)化結(jié)果的可行性。數(shù)值分析采用隱式靜態(tài)幾何非線性算法，考慮了幾何非線性、邊界條件非線性和卸載后的殘余變形，對(duì)CFRP汽車(chē)頂蓋進(jìn)行雪壓屈曲分析，了解CFRP汽車(chē)頂蓋的承載與變形能力，判斷是否滿足汽車(chē)頂蓋剛度要求。

圖5 汽車(chē)頂蓋雪壓分析數(shù)值模型

3 CFRP汽車(chē)頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 初始模型雪壓分析

圖64 層CFRP汽車(chē)頂蓋雪壓變形過(guò)程

考慮到CFRP性能和汽車(chē)頂蓋輕量化要求，在初步設(shè)計(jì)階段采用4層CC-P400－12作為環(huán)氧樹(shù)脂LTC-6010A/B的增強(qiáng)材料，厚度約為1.0mm，并通過(guò)數(shù)值分析來(lái)校核頂蓋剛度是否滿足相關(guān)要求，模擬積雪壓力時(shí)頂蓋位移變化簡(jiǎn)圖和最大變形位置的壓力-位移曲線，如圖6所示，其中，數(shù)值模型在施加壓力時(shí)載荷采取線性增加方式。由圖6(a)～圖6 (c)位移變化云圖可知，4層CFRP汽車(chē)頂蓋位移隨著壓力的增加而增大，且初始最大變形位置發(fā)生在CFRP汽車(chē)頂蓋后橫梁與后支撐梁之間的A點(diǎn);隨后載荷繼續(xù)增加，最大變形位置由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)。由圖6(d)可見(jiàn)，在4層CFRP汽車(chē)頂蓋受壓初始階段(階段Ⅰ)具有較好的抗變形能力;當(dāng)壓力達(dá)到1.12kPa時(shí)(階段Ⅱ)，4層CFRP汽車(chē)頂蓋位移由1.27mm激增至18.63mm，這表明4層CFRP汽車(chē)頂蓋出現(xiàn)幾何軟化響應(yīng)，發(fā)生屈曲現(xiàn)象［15］;而后當(dāng)壓力達(dá)到1.18kPa后(階段Ⅲ)，4層CFRP汽車(chē)頂蓋剛度繼續(xù)增加，最大變形達(dá)到24.17mm。由于4層CFRP汽車(chē)頂蓋在受壓過(guò)程中出現(xiàn)屈曲現(xiàn)象，故無(wú)法滿足雪壓剛度要求。

3.2 CFRP汽車(chē)頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)

由4層CFRP汽車(chē)頂蓋剛度計(jì)算結(jié)果可知，在

頂蓋受載過(guò)程中該鋪層方案無(wú)法滿足相應(yīng)的雪壓分析要求，故在同時(shí)考慮制造工藝約束和頂蓋雪壓分析要求的條件下對(duì)CFRP汽車(chē)頂蓋進(jìn)行鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)。在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中采用自由尺寸優(yōu)化，尺寸優(yōu)化和復(fù)合材料層組優(yōu)化3種優(yōu)化方法，優(yōu)化流程如圖7所示。

3.2.1 自由尺寸優(yōu)化

圖7 鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

在初始設(shè)計(jì)過(guò)程中，汽車(chē)CFRP頂蓋剛度能較好地滿足剛度要求，通過(guò)自由尺寸優(yōu)化來(lái)獲取每種鋪層角度的最佳鋪層厚度。在自由尺寸優(yōu)化過(guò)程中為復(fù)合材料建立與鋪層角度相對(duì)應(yīng)的幾個(gè)超級(jí)層，該階段每一鋪層角度所在超級(jí)層厚度可連續(xù)變化。優(yōu)化時(shí)，對(duì)各纖維鋪層角度的鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化約束為汽車(chē)CFRP頂蓋任意節(jié)點(diǎn)位移，優(yōu)化目標(biāo)為汽車(chē)CFRP頂蓋質(zhì)量最小，優(yōu)化數(shù)學(xué)表達(dá)式如下所示:

式中:m(x)為頂蓋質(zhì)量;gj(x)為第j個(gè)約束響應(yīng);M為總的約束數(shù)量;Tθ為對(duì)應(yīng)鋪層角度的鋪層厚度; xik為第i個(gè)超級(jí)層中第k個(gè)單元的厚度;NE為單元數(shù)量;Np為超級(jí)層數(shù)量。

為使結(jié)構(gòu)能較好地滿足裝配工藝和制造工藝要求，在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中取制件總體厚度為制造約束目標(biāo):

從而使得優(yōu)化結(jié)果更好地滿足實(shí)際要求。

3.2.2 尺寸優(yōu)化

通過(guò)自由尺寸優(yōu)化，能較好地確定每種鋪層角度所需的鋪層厚度，但由于層合板在制備過(guò)程中有一定的厚度要求，且鋪層數(shù)量對(duì)制件的力學(xué)性能均有較大影響，所以研究中通過(guò)尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)將制件單層厚度與設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系進(jìn)行耦合分析，以獲得每種鋪層角度在給定鋪層厚度條件下的最佳鋪層數(shù)量。尺寸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型除采用與自由尺寸優(yōu)化相同的模型外，還需建立多個(gè)設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系［16］。尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，一個(gè)設(shè)計(jì)變量與其他設(shè)計(jì)變量間的關(guān)系可表示為

式中:DDVID為該階段最終的優(yōu)化設(shè)計(jì)變量;C0為一常量;IDVi為獨(dú)立變量標(biāo)識(shí);Ci為IDVi的系數(shù); CMULT為常量系數(shù)。

因此鋪層厚度設(shè)計(jì)變量之間的關(guān)系可表示為

式中:T為總的鋪層厚度變量;取C0=0;CMULT=1; Ci=1。

在該優(yōu)化過(guò)程中，同時(shí)兼顧了工藝制造過(guò)程中單層結(jié)構(gòu)的制件厚度，在本次優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中設(shè)置每一鋪層角度單層結(jié)構(gòu)的厚度是相等的，即取t= 0.25mm［2］，在前期優(yōu)化所得單種角度厚度基礎(chǔ)上計(jì)算制件總的鋪層層數(shù):

式中:Ni為每種鋪層角度對(duì)應(yīng)的鋪層層數(shù);Ti為每個(gè)角度對(duì)應(yīng)的總的鋪層厚度。

在該優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中，對(duì)每一纖維鋪層角度的厚度變量都進(jìn)行了計(jì)算，并最終確定了每一纖維鋪層角度所需的最佳鋪層層數(shù)和CFRP汽車(chē)頂蓋所需設(shè)計(jì)的總的厚度尺寸。

3.2.3 層組優(yōu)化

CFRP的力學(xué)性能與纖維角度的排列順序有著緊密的關(guān)系，在層組優(yōu)化階段，實(shí)際的目的是為了獲得結(jié)構(gòu)的最大剛度系數(shù)矩陣，從而使結(jié)構(gòu)的剛度達(dá)到最大。在CFRP制備過(guò)程中，鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)避免固化過(guò)程中由于彎曲、拉伸和扭轉(zhuǎn)等耦合效應(yīng)引起的翹曲變形和樹(shù)脂裂紋，為此在鋪層設(shè)計(jì)過(guò)程中應(yīng)避免使用同一方向的鋪層組，如果使用，應(yīng)不多于4層［17］。在層組優(yōu)化設(shè)計(jì)階段考慮了該制造工藝約束，因此本文中選取同一鋪層角度連續(xù)鋪層數(shù)量最多為兩層，以使頂蓋制造能較好地滿足制造工藝要求。

經(jīng)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化后得到CFRP頂蓋鋪層數(shù)量為6層，鋪層順序?yàn)椋?/90/90/ 0/0/90］，單層厚度為0.25mm，如圖8所示，其中11 101～11 103及12 101～12 103分別代表各鋪層組編號(hào)。

圖8CFRP頂蓋鋪層順序優(yōu)化結(jié)果

3.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

經(jīng)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化之后，對(duì)CFRP汽車(chē)頂蓋再次進(jìn)行雪壓分析，分析結(jié)果表明，6層CFRP汽車(chē)頂蓋在進(jìn)行數(shù)值分析的過(guò)程中，頂蓋最大變形量為1.922mm，與鋼制頂蓋分析結(jié)果0.769mm對(duì)比可見(jiàn)，雖然變形量大于鋼制頂蓋變形量，但變形依然處于彈性范圍之內(nèi)，未出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象，且在整個(gè)分析過(guò)程中，6層CFRP頂蓋的位移變化趨勢(shì)比4層CFRP頂蓋穩(wěn)定，因此判斷6層 CFRP頂蓋未出現(xiàn)明顯的屈曲現(xiàn)象，剛度能滿足要求，最終頂蓋位移云圖和頂蓋壓力-位移變化曲線如圖9和圖10所示。

圖9 頂蓋分析位移云圖

圖10CFRP頂蓋和鋼制頂蓋壓力位移曲線

通過(guò)優(yōu)化使CFRP頂蓋在滿足剛度及工藝制造等因素的條件下質(zhì)量有了較大幅度的減小，結(jié)果如表2所示。鋼制頂蓋初始質(zhì)量為10.944kg，汽車(chē)CFRP頂蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)前的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量為8.906kg，優(yōu)化后頂蓋質(zhì)量降低至4.453kg，較設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量減輕了50%，與鋼制件相比減輕了59.3%，如圖11所示。

表2 頂蓋優(yōu)化設(shè)計(jì)分析結(jié)果

圖11 頂蓋優(yōu)化前后質(zhì)量對(duì)比

4 結(jié)論

本文中圍繞汽車(chē)CFRP頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)開(kāi)展了材料制備、材料力學(xué)性能測(cè)定和數(shù)值模擬分析，并最終通過(guò)自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和層組優(yōu)化，完成了汽車(chē)CFRP頂蓋鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)，得出以下結(jié)論。

(1)CFRP數(shù)值模擬曲線與力學(xué)性能試驗(yàn)曲線對(duì)比結(jié)果，誤差在5%以內(nèi)，驗(yàn)證了CFRP建模的有效性、選用材料本構(gòu)模型參數(shù)和失效準(zhǔn)則可用于后續(xù)的數(shù)值模擬。

(2)在優(yōu)化過(guò)程中同時(shí)兼顧了制造工藝約束和制件剛度兩方面的要求，較好地克服了僅使用理論算法控制制件剛度的局限性，使制件在滿足剛度要求的同時(shí)，成型工藝可行性更好。

(3)將CFRP與傳統(tǒng)的鋼材對(duì)比發(fā)現(xiàn)，CFRP剛度和強(qiáng)度都較金屬材料有較大的提升，尤其是在汽車(chē)結(jié)構(gòu)輕量化方面的效果顯著，通過(guò)優(yōu)化，汽車(chē)CFRP頂蓋質(zhì)量比鋼制頂蓋減輕了59.3%。

［1］KIM D H，CHOI D H，KIM H S．Design optimization of a carbon fiber reinforced composite automotive lower arm［J］．Composites Part B:Engineering，2014，58:400－407．

［2］LIU Z，LU J，ZHU P．Lightweight design of automotive composite bumper system using modified particle swarm optimizer［J］．Composite Structures，2016，140:630－643．

［3］程章，朱平，馮奇，等．碳纖維復(fù)合材料汽車(chē)翼子板優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［J］．汽車(chē)工程學(xué)報(bào)，2015，5(5):367－374．

［4］MANJUNATH K，RANGASWAMY T．Ply stacking sequence optimization of composite driveshaft using particle swarm optimization algorithm［J］．International Journal for Simulation and Multidisciplinary Design Optimization，2014，5:A16．

［5］嚴(yán)君．基于OptiStruct碳纖維復(fù)合材料薄壁結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］．太原:中北大學(xué)，2012．

［6］REICHWEIN H G，LANGEMEIER P，HASSON T，et al．Light，strong and economical epoxy fiber reinforced structures for automotive mass production［C］．Detroit，2010:1－20．

［7］BAMBACH M．Fibre composite strengthening of thin steel passenger vehicle roof structures［J］．Thin-Walled Structures，2014，74:1－11．

［8］GB/T 3354—1999定向纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法［S］．1999．

［9］GB/T 1449—2005．纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法［S］．2005．

［10］楊旭靜，張振明，鄭娟，等．復(fù)合材料前防撞梁變截面多工況多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)［J］．汽車(chē)工程，2015，37(10):1130－1137．

［11］Livemore Software Technology Corporation．LS-DNA keyword user's manual［G］．California:Livemore Software Technology Corporation，2001．

［12］張振明．變厚度復(fù)合材料汽車(chē)防撞梁優(yōu)化設(shè)計(jì)研究［D］．長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2014．

［13］FERABOLI P，WADE B，DELEO F，et al．LS-DYNA MAT54 modeling of the axial crushing of a composite tape sinusoidal specimen［J］．Composites Part A:Applied Science and Manufacturing，2011，42(11):1809－1825．

［14］DUAN S，TAO Y，HAN X，et al．Investigation on structure optimization of crashworthiness of fiber reinforced polymers materials［J］．Composites Part B:Engineering，2014，60:471－478．

［15］Van Veldhuizen B，Kranendonk W，Ruifrok R．The relation between the curvature of horizontal automotive panels，the panel stiffness and the static dent resistance［J］．Materials and Body Testing IBEC，1995，95:62－70．

［16］李楚琳，張勝蘭，馮櫻，等．HyperWorks分析應(yīng)用實(shí)例［M］．北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008．

［17］沈真，章怡寧．復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］．北京:航空工業(yè)出版社，2001．

Ply Optimization on Vehicle Roof of Continuous Carbon Fiber Reinforced Polymer

Xiao Zhi，Du Qingyong，Mo Fuhao，Wei Kai，Yang Xujing＆Xing Yang
Hunan University，State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body，Changsha410082

In this paper，multi-layer ply optimization for the vehicle roof of continuous carbon fiber reinforced polymer(CFRP)is conducted based on the requirements of anti-snow performance．Firstly，material mechanical properties test for CFRP and inverse identification of material parameters are performed，and the stressstrain curves obtained by numerical simulation are compared with test results with errors within allowed range，verifying the rightness of material constitutive model parameters defined．Then，with minimizing roof mass as objective，free-size optimization，size optimization and ply stacking optimization on CFRP vehicle roof are carried out with both process constraints and stiffness requirements concurrently considered．After optimization the mass of CFRP roof is 59.3%lighter than that of original steel one，and no obvious bucking occurs during roof loading，meeting design requirements．

vehicle roof;CFRP;ply optimization;stiffness analysis

10．19562/j．chinasae．qcgc．2017．06．018

*國(guó)家自然科學(xué)基金(51475154，51405150)和湖南大學(xué)汽車(chē)車(chē)身先進(jìn)設(shè)計(jì)制造國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開(kāi)放基金(31475006)資助。

原稿收到日期為2016年5月4日，修改稿收到日期為2016年8月13日。

莫富灝，助理教授，E-mail:fuhaomo@hnu．edu．cn。