碳纤维电池包箱体的设计与铺层优化研究

为实现电池包箱体的轻量化设计,采用碳纤维复合材料取代传统金属构建电池包箱体结构。首先对碳纤维电池包的动静态性能开展有限元分析,并基于性能要求对上盖板依次进行形貌优化和尺寸优化,对下箱体进行结构优化,使下箱体质量减轻31.1%,且一阶固有频率提升至50.63 Hz,然后,开展了箱体铺层优化分析,基于Isight平台对下箱体的质量和一阶固有频率进行多目标优化,利用熵-优劣解距离法(TOPSIS)确定最优铺层设计方案,并综合考虑层合板铺覆工艺对铺层顺序进行全面优化,优化分析结果表明,下箱体实现质量减轻58.9%,且各工况下的最大位移和最大应力均有所减小,电池包箱体动静态性能均得到提升。

基于铺层参数的铺层方式与纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计

纤维增强复合材料层合板的弹性性质依赖于单层板的纤维含量(体分比)以及铺层方式(总层数、各单层的厚度与铺设方向)。本文研究在给定材料用量条件下层合板的最大刚度设计问题,采用铺层参数作为铺层方式的描述参数、以铺层参数和单层板纤维含量体分比在层合板面内的分布的描述参数为设计变量,以层合板的柔顺性最小为目标,建立了铺层方式和纤维分布协同优化的层合板最大刚度设计问题的提法和求解方法,给出了具有最大刚度的层合板最优铺层方式和纤维含量的分布规律的设计实例。

碳纤维麦弗逊悬架控制臂铺层优化

根据3种极限工况的悬架硬点载荷,结合复合材料经典层合板理论和对称平衡的铺层设计方法,开展复合材料控制臂的纤维铺层角度设计,并使用OptiStruct软件以1个超级层关联4个单层铺层的方法进行铺层优化设计。进而通过拓扑分析的方法获得需要加强的区域,利用铺层尺寸优化方法对控制臂进行形貌优化设计,在满足使用要求的前提下实现较原金属结构减重64%。提出一种非均匀截面结构的铺层优化方法,对复杂截面复合材料结构铺层优化具有一定的指导意义。

CFRP复合材料层合板胶接结构铺层方式优化

通过多岛遗传算法对CFRP复合材料层合板强度和胶接接头强度进行双层迭代优化,并研究遗传算法控制参数对优化效率和优化稳定性的影响,提出兼顾CFRP复合材料层合板强度及胶接结构强度的最优铺层方式。结果表明:CFRP复合材料层合板胶接结构的剥离极限失效载荷与拉伸极限失效载荷成正比;优化设计方法可在保证层合板自身强度的前提下,提高胶接接头连接强度约14%;在铺层角度和铺层顺序被约束的情况下,CFRP复合材料铺层纤维方向为0°的铺层越靠近胶层,连接接头极限失效载荷越大;对于较快收敛的遗传算法优化问题,应采用较少的岛数、较小的交叉率和较小的变异率以保证其优化求解的稳定性。

混杂碳/玻纤维复合材料自行车轮辋的铺层优化分析及抗疲劳验证

对碳纤维/玻璃纤维层间混杂复合材料自行车轮辋进行数值优化分析,能够设计出具有价格适中、安全性能高、耐疲劳等特点的自行车轮辋。借助有限元分析对自行车轮辋模型进行服役状态下的力学行为模拟,能够为试验研究提供相对可靠的方案,减少试验过程中不必要的原料浪费,从而降低整个复合材料轮辋的设计和制备成本。本文通过ABAQUS软件构建了自行车轮辋模型,通过调整碳纤维预浸布铺层和玻璃纤维预浸布铺层的顺序、各铺层角度比例和顺序,计算轮辋在服役状态下的力学性能,通过比较各方案得到较优的设计方案。5万次加速疲劳测试结果表明:采用优化后的自行车轮辋侧壁铺层方案及凸缘铺层方案指导复合材料轮辋的制备,可以显著提高复合材料自行车轮辋的抗疲劳能力。

铺层方式对碳纤维复合材料力学性能的影响

对8种铺层结构的碳纤维复合材料进行了拉伸强度、弯曲强度和弯曲模量的测试,通过测试结果分析了预浸布面密度、铺层角度和表层3K编织层对复合材料性能的影响。面密度为75 g/m^(2)的碳纤维预浸布复合材料比同样铺层结构、面密度为150 g/m^(2)的碳纤维预浸布复合材料的力学性能更高,这可能是由于面密度高的预浸布胶更厚,在材料铺层中更容易出现树脂聚集区,导致复合材料拉伸强度下降;当3K编织材料自身强度大于中间铺层部分的强度时,表层的3K编织材料能够提高复合材料的力学性能,当3K编织材料自身强度小于中间铺层部分的强度时,表层的3K编织材料会降低复合材料的力学性能;采用(0°)铺层结构的碳纤维复合材料具有明显的各向异性,复合材料在90°和0°方向上的力学性能差异较大;采用(0°/90°)铺层结构能够明显降低复合材料的各向异性,提高90°和0°方向上的力学性能;采用(-45°/0°/45°/90°)铺层结构能够在(0°/90°)铺层结构的基础上,进一步提高45°和-45°方向上的力学性能。

大开孔结构变角度纤维铺层优化设计研究

变角度纤维铺层能有效地增强结构刚度、减小应力集中,在很多领域得到广泛应用。本文对比了分区域设计直纤维铺层和变角度纤维铺层零件结构的优缺点,基于Patran的PCL语言开发出了纤维轨迹主应力法优化程序,以某飞机襟副翼复合材料层压板树脂传递模塑成形(RTM)支臂为例进行了纤维轨迹优化设计,分析了不同变角度纤维铺层数目和迭代次数对设计结果的影响,并和传统的分区域设计直纤维铺层模型进行了对比,得出了变角度纤维铺层能明显改善模型应变和位移的结论,且通过承载能力试验分析对比了分区域设计直纤维铺层和最外两层更换为变角度纤维铺层的RTM支臂的试验结果,得出了变角度纤维铺层能提高结构孔边强度和整体刚度的结论,验证了变角度纤维铺层的可行性及其优点。大开孔结构变角度纤维铺层优化设计对大开孔复合材料结构设计具有重要意义。

连续碳纤维增强复合材料汽车顶盖铺层优化

本文中基于抗雪压性能需求,对连续碳纤维增强复合材料汽车顶盖结构开展了多层次铺层优化设计。首先,进行了连续碳纤维增强复合材料力学性能试验和参数反求,并将分析所得应力应变曲线与试验结果对比,结果误差均在允许范围之内,验证了所选取的材料本构模型参数的正确性。然后,以顶盖质量最小化为目标,开展了汽车顶盖自由尺寸优化、尺寸优化和层组优化,在优化过程中同时兼顾了工艺约束和顶盖刚度两个方面的要求。优化后,连续碳纤维增强复合材料汽车顶盖的质量比原始钢制件减轻了59.3%,顶盖在加载过程中未出现明显的屈曲现象,满足设计要求。

基于铺层参数的复合材料耐压壳协同优化设计

在给定的材料性能条件下,以耐压壳纤维体积分数和层合板厚度为设计变量,以结构质量最小为优化目标进行复合材料耐压壳的布局优化;以铺层参数作为优化变量,综合考虑结构的稳定性及其材料强度,实现了结构铺层方式的优化设计;通过协调各子系统优化结果,实现了适用于潜水器复合材料耐压壳结构/材料一体化的协同优化设计.结果表明:耐压壳结构质量较优化前的降幅为20.57%,临界失稳压力为30.78MPa,失效指数为0.675,优化结果达到预期效果.所提出的基于铺层参数的协同优化方法能够对复合材料耐压壳进行优化设计,解决了直接以铺层角作为设计变量的优化效率低的问题.

引发方式、铺层对纤维增强复合材料圆柱壳吸能特性影响的冲击试验研究

对作为吸能元件的纤维增强复合材料圆柱壳的吸能特性进行了试验研究。制备了不同铺层角度和不同引发方式的玻璃纤维/聚酯树脂基圆柱壳,通过对该圆柱壳进行动态试验,探求铺层方式和引发方式对该吸能元件吸能效果的影响,以及该复合材料层合壳体压溃过程的破坏机理。

复合纤维风力机叶片结构铺层优化设计研究

从工程角度出发,以某1.5 MW叶片为对象,以结构整体性能最优为目标,运用分级优化的策略,采用理论分析、有限元分析与结构优化相结合的方法,建立数学优化模型、目标函数和约束条件,对铺层角度、铺层厚度及铺层顺序分别进行优化,得到叶片的优化铺层方案。优化前后结构分析结果表明:优化后叶片的最大主应力和应变均明显减弱,结构性能显著增强。可验证优化方案和方法的正确性和有效性。

基于热稳定及等弯曲刚度的碳纤维层合板铺层设计与优化

针对碳纤维复合材料反射镜特殊应用,从热稳定性以及弯曲刚度均匀性两方面,对层合板进行铺层设计与优化。最终优化的16层铺层设计[22.5 90-45-22.5 67.5-67.5 0 45]s弯曲刚度均匀性最好,同时具有优异的热稳定性。该铺层设计为高精度、高热稳定性碳纤维层合面板研制提供参考,特别适合于变形镜的铺层设计应用。

基体韧性和铺层方式对角层混杂纤维复合材料拉伸性能的影响

本文研究了基体韧性和铺层方式对± 4 5°铺层的玻璃纤维、碳纤维及其混杂纤维复合材料拉伸断裂性能和损伤行为的影响。实验结果表明 ,采用混杂纤维有利于提高复合材料的拉伸强度和断裂应变 ,呈正的混杂效应 ;

复合纤维风力机叶片铺层厚度与铺层顺序优化

探究复合纤维风力机叶片结构铺层优化方法,以解决复杂、多变量叶片结构性能最值优化问题。以某1.5MW风机叶片为对象,分别采用遗传算法与有限元分析相结合方法、试验设计法,对其进行铺层厚度和铺层顺序优化,得到了各轴向布在不同部位的优化铺层厚度范围和铺层顺序。改进原有铺层方案,结构分析结果表明:优化后叶片的失效因子和最大位移均明显降低,结构性能显著提高,验证了方法的正确性和有效性。

不同铺层方式碳纤维/环氧复合材料的燃烧特性

利用锥形量热仪研究了不同铺层厚度和不同铺层角度碳纤维/环氧复合材料的点燃时间,热释放速率以及质量损失三种燃烧特性参数。结果表明,随着铺层厚度的增加,碳纤维/环氧复合材料的点燃时间延长,热释放速率峰值升高且达到峰值的时间提前,质量损失减小但质量损失速率增大,且这种规律在铺层厚度较大时更加明显;铺层角度对于碳纤维/环氧复合材料的燃烧特性影响作用不明显。

基于铺层设计特征的碳纤维增强复合材料悬架控制臂结构优化

基于铺层设计特征,提出一种使用碳纤维复合材料对承载结构件进行结构优化设计的方法和流程.该方法综合考虑结构几何特征、材料铺层方式、铺层厚度及铺层角度在设计环节中的序列关系,通过几何设计空间构建、离散变量多目标优化、基于工艺可行性的最优决策等方法实现结构设计.以碳纤维增强复合材料悬架控制臂的轻量化设计为例:首先,以钢质控制臂结构为参考建立复合材料控制臂的几何设计空间;然后,以复合材料铺层便利性为原则对其进行结构设计,采用准各向同性铺层对控制臂的铺层厚度进行设计;进而,以提高控制臂刚度和1阶固有频率为目标,使用优化算法对铺层角度进行多目标优化设计;最后,以工艺可行性为约束对优化结果进行筛选并最终完成结构设计.结果表明,所设计复合材料结构具有更大的刚度和1阶固有频率,并且与钢质结构相比减重47.9%.所提出的方法能够较好地兼顾结构特征和复合材料设计要求之间的关系,为复合材料结构优化设计理论与方法的发展提供有益参考.

考虑渐进损伤的纤维缠绕复合材料圆筒铺层顺序优化设计

针对内压载荷作用下复合材料圆筒,基于复合材料渐进损伤分析方法和遗传算法,建立了复合材料圆筒铺层顺序优化设计方法。复合材料渐进损伤起始准则采用LaCR准则,采用线性软化准则来模拟损伤的演化,基于Bazant提出的裂纹带模型来缓解网格依赖性,运用粘性正则化改善有限元模型的收敛性。渐进损伤分析基于Abaqus软件平台实现,优化算法基于Matlab软件实现,采用Python语言编写脚本进行两个软件平台的数据交换,搭建了基于Matlab和Abaqus软件平台的复合材料圆筒铺层顺序的优化设计平台。针对三种典型承载工况对缠绕复合材料圆筒进行了铺层优化设计。结果表明,无约束条件下爆破压强和考虑工艺约束下的爆破压强均高于传统铺层[±55°]4所对应的爆破压强分别高出6.5%和3.7%,说明本文的优化设计结果可以提高纤维缠绕复合材料圆筒的爆破压强。

铺层方式对碳纤维/环氧材料性能的影响

采用氧指数测试仪、垂直/水平燃烧测试仪、锥形量热仪,对不同铺层方式(厚度和角度)碳纤维/环氧复合材料的火灾蔓延特性及烟气特性进行研究。结果表明,铺层厚度增加,材料的氧指数增大,垂直/水平燃烧速率降低,CO/CO_2达到产生速率峰值的时间均缩短,材料产烟速率峰值减小,且达到峰值所需时间延后,总烟释放量增加,且烟气释放过程持续时间更长。铺层角度对材料的氧指数、产烟速率及CO/CO_2相关参数影响作用不明显。铺层方向[0°/90°]与火灾蔓延方向相同时,垂直/水平燃烧速度更大。铺层方向[±45°]与火焰蔓延方向不同时,可导致结构完整性、力学性能丧失,利于底层烟气的释放,使总烟释放量增加。

碳纤维复合材料保险杠铺层优化设计研究

对碳纤维复合材料保险杠碰撞性能进行研究,并进行铺层优化设计。先在HyperStudy中进行试验设计获得大量试验数据,然后采用HyperKriging方法构建近似模型,随后采用遗传算法进行铺层优化,最后将最优解重新代入原模型,进行运算验证。相对于原钢制保险杠,优化后的碳纤维复合材料保险杠有更佳的安全性能,且质量显著减轻,减轻63.3%。碳纤维复合材料对于汽车碰撞安全性及轻量化具有重要的研究意义。

变厚度连续纤维增强复合材料铺层设计优化方法

由于具备高的比强度、比刚度,利用连续纤维增强复合材料代替传统金属材料以实现结构轻量化正受到设计者们的广泛关注.然而,结构的复杂性给复合材料的铺层设计与优化带来了很大的挑战.针对航空用复合材料铺层设计约束多的问题,通过逐步构建设计变量准确表达结构的铺层信息.基于经典遗传算法框架,结合各设计变量特点,定义了铺层优化算法中的遗传算子,通过引入“修复”策略保证了每一代解都能满足设计约束,分布在可行域区间内.最后利用精英保留策略提高了算法的局部寻优能力,可以降低复杂复合材料结构铺层设计的计算成本.通过解决经典benchmark问题并与已有优化结果的比较,验证了前述铺层优化算法的全局、局部寻优能力,为工程实际中的复合材料铺层设计优化提供了理论支撑.