碳纤维发动机盖设计（带设计模型）

摘要

　　随着经济社会的发展，环境以及能源的难题日益严峻，甚至限制了人类未来的经济社会发展。因此，如何开发新能源，高效的使用现有能源从而节能减排已成为全社会的共识。对于汽车工业来说，对汽车车身进行优化设计以降低整车质量可以有效优化整车的能源消耗，从而达到节能目的。

　　碳纤维是一种轴向强度以及轴向模量高、低密度、没有蠕变，非氧化环境下耐超高温以及耐疲劳性好、热膨胀系数小且耐腐蚀性好，X 射线透过性好等等优点的先进纤维复合材料，与此同时，碳纤维还具备高效率回收和有利于环保的特点，有利于实现降低碳排放的目的。

　　在汽车行业中，各类纤维复合材料在汽车工业中的应用日益广泛，而碳纤维复合材料作为其中的主力材料也陆续涌现出越来越多的运用实例，逐渐成为汽车轻量化的主力材料，因此，本文采用碳纤维复合材料作为优化设计的材料。

　　针对碳纤维复合材料的材料特性以及本文的研究内容和目标，本文开展了如下研究工作：

　　1) 对作为参考基准的钢制发动机盖使用 CATIA 进行建模，然后进行有限元网格划分，得到可用于后续模拟仿真的有限元模型。

　　2) 对得到的钢制发动机盖有限元模型使用 HyperMesh 加载特定的约束、应力以及具体工况，使用 RADIOSS 求解器以静力分析的方式对该模型进行初步分析并得出相关参数，这些参数是后续优化设计的参考基准。

　　3) 对原钢制发动机盖模型部分内板结构进行再处理，以一个完整平面代替之前钢制发动机盖的具体设计结构，然后对补面之后的发动机盖有限元模型加载具体工况，设定约束边界条件参数以及拓扑优化和形貌优化参数，设置优化设计目标，最后使用 OptiStruct 进行具体的拓扑优化以及形貌优化运算。

　　4) 根据得到的应力以及位移云图进行碳纤维发动机盖内板的具体设计工作，由具体的优化设计目标选取优化方案。

　　针对得到的优化方案根据国标 GB/T 24550-2009 的要求，使用 LS-DYNA 进行头模碰撞仿真分析，得出 HIC 值，根据计算出的结果评估设计方案的行人保护性能。

　　本文旨在对碳纤维复合材料在汽车工程上的应用，尤其是在汽车外覆盖件上的应用做出有益的探索，为今后在该领域的研究以及设计提供参考依据。经过具体的研究之后，验证了碳纤维复合材料应用在发动机盖设计上的可行性，并且实现了在性能有所提升或至少不低于原钢制发动机盖的基础上取得明显的轻量化效果，同时具备符合相关法律法规要求的行人保护性能。

　　关键词：轻量化，碳纤维，发动机盖，拓扑优化，行人保护

Abstract

　　The lacking of fuel and the pollution of the natural environment become much more rigid than ever before along with the marching forward pace of the human society. It even limits the sustainable development of human race. So, it has become a common sense of the mankind to research on new kinds of energy and the way to make full use of current resources with better efficiency to fulfill the target of reducing fuel consumption. As for the automotive industry, to optimize the structure of the auto body and make it lighter is quite an effective way to reach the goal of saving energy.

　　Carbon fiber reinforced plastics is a new kind of advanced fiber composite material with the outstanding characteristics of high axial modulus, low density, no creep, great fatigue durability under ultra high temperature under non-oxidizing atmosphere, low thermal expansively, excellent corrosion resistance, friendly for X-ray. Meanwhile, CFRP is also with the features of recyclable, friendly to the environment to achieve reducing carbon emission.

　　In the industry of automobile, various of fiber composite material are being used in a wider and wider range. CFRP, as the main stream material to achieve lightweight of auto body among them has also creating more and more actual cases. Therefore, CFRP is chosen as the target material of this paper.

　　According to the material features of CFRP and the research content of this paper, the researching actions are listed below:

　　1) To create CAE model of steel car bonnet with CATIA and then mesh it with FEM to get the FE model for the following research.

　　2) To load constraints, forces and operating modes required to the FE model with HyperMesh. RADIOSS it on statical analysis to get parameters as criterion of following research.

　　3) Replace part of the original inner board structure of the steel one with a new shell as the design area and load working modes to the reformed FE model accomplished in the previous step, set boundary conditions, parameters of both topology and topography optimizations as well as optimizing objects. Operate it with OptiStruct after it.

　　4) To redesign the designing area in reference with what’s shown in the stress and displacement cloud maps. Select the best fitted designing option with the optimizing objects.

　　5) To launch head crash simulated analysis according to the detail requirement listed in the national standard of GB/T 24550-2009 with LS-DYNA to figure out HIC index.Evaluate their pedestrian protecting capabilities with those HIC index.

　　The paper is aiming at the usage of CFRP in the field of automotive industry, especially automotive panels to provide references for future research and development in this field. My research proved the flexibility of CFRP to be used in the engine hood. Those optimizing options are able to gain considerable lightweight result under the major premise of a non-inferiority performance than the original steel one. Those options meet the pedestrian protecting capabilities as it is required in the law.

　　Key words：Light weight, CFRP, Topology optimization, Topography optimization, Pedestrian protection

　　近几十年来，随着人类经济社会的日益发展，各类工业消费品的需求早已今非昔比。随着全球环境日益恶化，化石燃料等等不可再生能源的消耗量与日俱增，使得人口、资源、环境之间的矛盾日益激烈，时刻牵动着社会方方面面的神经。

　　2016 年全球石油消费涨幅达到了 1.9%，是近期历史平均值的近两倍，为 190 万桶/天，而石油在全球能源消费中的比重达到了 32.9%[1]，石油消费量以及产量稳步提高。据估算，地球上的石油资源仅可供继续开采 46 年，如下图 1.1 所示，伴随能源消耗日益增加，全球的碳排放量正逐年增加，因此节能减排的重要性比人类历史上任何时期都重要，所以我们更应该高效利用现有资源同时不断开发可再生能源。虽然新能源汽车发展势头迅猛，但是当代汽车仍然以化石燃料所炼化的油料为主要燃料，汽车在为人们生活提供便利的同时对生态环境亦造成了一定的负面影响。近二十年随着中国经济社会的飞速发展，汽车的生产和消费也突飞猛进，中国于2009 年超过了美国成为全球汽车产销量第一大国[3]。

　　而在2016年，2811.9万辆和2802.8万辆的产量和销量创历史新高，比 2015 年同期分别取得了 14.5%和 13.7%的增长，这一涨幅高于 2015 年同期 11.2%和 9.0%。可见节能减排对于中国汽车工业的重要性。

　　对于汽车而言，理论以及实验表明，汽车重量降低 1%，油耗可降低 0.7%；而整车重量每降低 10%就能取得燃油效率 6%~8%的提高幅度；整车质量每减少 100 公斤，每一百公里油耗可降低 0.3~0.6 升。因此在全球节能减排已成为公认未来趋势的大背景下，尽最大可能优化整车质量从而降低能耗也就成了汽车行业的必由之路。

　　在今天的汽车工业实际应用中，碳纤维复合材料的使用呈越来越多的趋势，主要用在以跑车以及豪华车上面。对于本文所研究的发动机盖而言，使用碳纤维复合材料相对于钢制件的减重幅度可达 40%~60%，相对于铝合金材质的减重幅度也有 20%到30%。而对于产量巨大的平民汽车而言，由于生产、技术、成本等原因，碳纤维汽车零部件很少，仍然是传统钢制件占绝大多数，导致汽车轻量化容易遇到瓶颈，再加上我国的碳纤维汽车产业相较于传统汽车工业强国而言还是比较落后，相关的应用也并不常见，因此对于碳纤维材质汽车零部件以及车身的研究就更具必要性。

　　通过本文对国内外研究现状与现有技术水准以及行业新动态的分析，以及针对碳纤维发动机盖设计的研究，探究方案实施的可行性并为今后复合材料在汽车工程上的应用提供参考。与此同时，这种设计理念以及思路也可以应用在其他工程领域。本课题来源于某汽车企业实际项目，具有实际的应用背景以及潜在的量产可能，进而由本文发展开来讨论碳纤维复合材料在我国汽车产业中在车身外覆盖件上大范围使用的前景。

　　根据本课题的研究目标以及要求，结合以往关于本课题的相关研究，本文的研究内容如下：

　　1) 在不同工况下对原钢制发动机盖的静态特性进行分析。

　　2) 根据碳纤维符合材料的特点对发动机盖内板结合具体工况分析其静态受力特性进行针对性优化设计。

　　3) 以不同的优化参数为目标，得出几种碳纤维发动机盖设计方案。

　　4) 对几个碳纤维发动机盖设计方案和原钢制件做对比，分析优化效果。

　　5) 对几个设计方案做头模碰撞仿真分析，验证新方案是否满足行人保护标准，然后综合上一步对比结果以及 HIC 值选取最优方案。

　　碳纤维发动机盖设计模型演示：

补面之后的发动机盖内板模型

铺层方案

内板铺层

方案一·单层厚度为 0.3mm 时内板设计区域变形云图以及设计图

方案二·单层厚度为 0.25mm 时内板设计区域变形云图以及设计图

方案三 单层厚度为 0.3mm 时内板设计区域变形云图以及设计图

方案四 单层厚度为 0.25mm 时内板设计区域变形云图以及设计图

方案五 单层厚度为 0.3mm 时内板设计区域变形云图以及设计图

方案六 单层厚度为 0.25mm 时内板设计区域变形云图以及设计图

目录

　　第 1 章 绪论
　　　　1.1 论文研究背景
　　　　1.2 国内外研究现状
　　　　　　1.2.1 碳纤维复合材料国内研究现状
　　　　　　1.2.2 碳纤维复合材料国外研究现状
　　　　1.3 行人保护发动机盖国内外研究现状
　　　　1.4 本文的主要研究意义和研究内容
　　　　　　1.4.1 本文的主要研究意义
　　　　　　1.4.2 本文的主要研究内容
　　第 2 章 复合材料力学以及有限元分析基础
　　　　2.1 复合材料定义
　　　　2.2 单层板与层合板的定义和特点
　　　　2.3 各向异性弹性力学基本方程
　　　　2.4 有限元理论基础
　　　　　　2.4.1 有限元分析定义
　　　　　　2.4.2 有限元法应力分析步骤
　　　　2.5 本章小结
　　第 3 章 发动机盖有限元模型建立以及性能分析
　　　　3.1 概述
　　　　　　3.1.1 发动机盖的作用以及结构
　　　　3.2 有限元分析基本步骤
　　　　3.3 钢制发动机盖建模
　　　　　　3.3.1 建立发动机盖有限元模型
　　　　　　3.3.2 加载材料属性
　　　　　　3.3.3 发动机盖分析工况
　　　　3.4 钢制发动机盖初步分析
　　　　　　3.4.1 HyperWorks 软件中 RADIOSS 以及 OptiStruct 求解器介绍
　　　　　　3.4.2 钢制发动机盖自由模态分析
　　　　　　3.4.3 钢制发动机盖静力分析
　　　　3.5 本章小结
　　第 4 章 碳纤维发动机盖设计
　　　　4.1 初始碳纤维发动机盖建模
　　　　4.2 碳纤维发动机盖参数选取
　　　　　　4.2.1 铺层方案
　　　　　　4.2.2 碳纤维单层厚度选取
　　　　4.3 碳纤维发动机盖内板优化设计方法
　　　　　　4.3.1 拓扑优化基本理论
　　　　　　4.3.2 形貌优化基本理论
　　　　4.4 碳纤维发动机盖内板设计方案
　　　　　　4.4.1 碳纤维发动机盖内板优化目标
　　　　　　4.4.2 刚度最大
　　　　　　4.4.3 质量最小
　　　　　　4.4.4 一阶模态优化
　　　　4.5 数据对比以及优化结果分析
　　　　4.6 本章小结
　　第 5 章 碳纤维发动机盖行人保护性能验证
　　　　5.1 概述
　　　　5.2 模拟仿真实施方案
　　　　　　5.2.1 汽车行人保护性能法规
　　　　　　5.2.2 头部冲击器规格
　　　　　　5.2.3 头型冲击测试规定
　　　　　　5.2.4 头部伤害指标 HIC 值的定义
　　　　　　5.2.5 模拟头部碰撞仿真试验结果评定标准
　　　　　　5.2.6 模拟头部碰撞的碰撞点选取
　　　　5.3 头部碰撞模拟仿真结果
　　　　　　5.3.1 LS-DYNA 软件介绍
　　　　　　5.3.2 各个设计方案以及原钢制发动机盖头部碰撞仿真模拟结果
　　　　　　5.3.3 头部碰撞仿真模拟结果对比分析
　　　　5.4 本章总结
　　第 6 章 总结与展望
　　　　6.1 全文总结
　　　　6.2 课题展望
　　参考文献
　　作者简介及在学期间取得的研究成果
　　致 谢

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