碳纤维复合材料的优化技术

whitejie

碳纤维复合材料的优化技术

        复合材料优化技术是通过有限元概念模型入手进行研究。复合材料优化设计技术在汽车行业和航空航天行业有着类似的应用，但航空航天领域工程师通常是进行线性材料模型分析，汽车行业工程师在产品研发的后期必须进行非线性分析，如对B-柱结构的非线性性能进行研究。这一优化设计阶段，其优点是：不仅对B-柱线性材料物理分析进行控制，还能解答相关于复合材料的一些通用问题。

        碳纤维复合材料优化包含三个主要的环节：
1，在自由尺寸优化（Free Size Optimization）阶段，工程师们确定在各个零部件中，碳纤维层合板中所需的铺成部分；
2，在随后进行的尺寸优化阶段中确定所需进行铺层层数；
3，在最终设计阶段，最终的复合材料铺层堆叠方式由铺层层叠次序优化确定。
       在自由尺寸优化阶段，我们可以通过CATIA的FEA对产品进行分析，以确定在各个零部件中，碳纤维层合板铺层中所必须的铺层方向。此外，应用自由尺寸优化技术获得的结果还可以确定零件需要性能加强的位置以及这些加强结构的作用范围是零件的整体（加强结构遍布零件全局）还是局部（加强结构仅对结构部分区域起作用），得出结果（如下图所示）显示出B-柱在优化后各纤维角度下(0°, 45°, 90°, -45°)的载荷和压力分布。鉴于以上优化结果及其对于产品生产流程的考虑，工程师对个各零部件进行阐述说明，从而为具体的零件分发提供依据。


        随后，再次对B-柱进行参数优化设计，其目标得出在B-柱各角度铺层所需铺层数，也就是我们一开始看到的那个图。后续优化阶段，零件分发结构将由参数优化而定，同时，也能减少使用零件数量。工程师们致力于通过现代优化设计方法，最终获得质量更轻、铺层更复杂但同时易于加工的复合材料铺层设计方案。组件的静态刚度性应尽可能保持。通过复合材料优化设计得到的B-柱设计方案与原始金属材质方案相比具有接近的刚度，但是重量减轻了40%。


      对于最初可行性优化研究，工程师还需进行部分操作如加强肋等，再考虑到成本和制造因素，只需建立一个简化模型作为原型进行分析。 如图7所示，通过复合材料优化设计得到的B-柱设计方案与原始金属材质方案相比具有相近的刚度，但重量减轻了约40%。纤维复合材料具备最佳的吸能能力，通常比金属材质轻30%重量的纤维复合材料可多吸能高达25%。但是分析结果表明复合材料的B-柱结构的变形增加了30%，这不符合车体B-柱的设计要求。因此，最有效的设计方法，是在B-柱结构中加入加强肋结构，尽管这在一定程度上会弱化一些复合材料在重量上的优势，但总的减重效果依然明显。