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纤维增强复合材料在汽车上的应用同济大学复合材料与结构所李文晓内容提要11 复合材料与汽车轻量化2 复合材料在车身上的应用3 复合材料在功能结构件上的应用44 技术发展趋势2012-4-24同济大学复合材料与结构所21复合材料与汽车轻量化1.1 汽车的轻量化需求1.21.2 实现车身轻量化的途径1.3 复合材料汽车部件的性能优势1.4 复合材料在汽车上的应用概况2012-4-24同济大学复合材料与结构所3汽车的轻量化需求111.1 汽车的轻量化需求1.1节能减排压力整车重量与燃油效率节能减排措施传统汽车：轻量化、小型化新能源汽车：轻量化奠定产业基础混合动力汽车电动汽车燃料电池汽车2012-4-24同济大学复合材料与结构所4实现汽车轻量化的途径21.2实现汽车轻量化的途径1.212实现汽车轻量化的途径结构优化优化设计（提升结构强度，采用中空化构件） 功能配置优化集成化新材料技术采用轻质材料轻质合金工程塑料复合材料2012-4-24同济大学复合材料与结构所5复合材料汽车部件的性能优势131.3 复合材料汽车部件的性能优势1.3轻质高强：减重效果明显材料各向异性，可设计性强便于结构优化设计高安全性提高乘客的舒适性：降噪减振耐腐蚀、耐疲劳、长寿命小批量生产的成型周期短，模具费用低2012-4-24同济大学复合材料与结构所61.4 复合材料在汽车上的应用概况复合材料在汽车上的应用概况1.4应用总量持续增长总用量：汽车用复合材料占复合材料总产量的20% 单车复合材料用量：平均达6%车重；豪华车：15%高端车：9%中档车：6%入门车型：4%与航空航天领域的应用相比，有大的发展空间 A380:整机结构重量的25%Boeing 787: 整机结构重量的50%2012-4-24同济大学复合材料与结构所7复合材料在汽车上的应用概况1.41.4 复合材料在汽车上的应用概况应用部件种类齐全车身结构内、外饰结构功能件2012-4-24同济大学复合材料与结构所81.4 复合材料在汽车上的应用概况复合材料在汽车上的应用概况1.4应用特点材料种类全GFRPCFRPAFRPFRTPWPC (woodplastic composite)2003 DODGE VIPER 2012-4-24同济大学复合材料与结构所9复合材料在汽车上的应用概况1.4 复合材料在汽车上的应用概况1.4应用特点结构形式从非承力次承力结构向主承力结构和全复合材料结构方向 从非承力、次承力结构向主承力结构和全复合材料结构方向发展层合板、加筋板、夹层结构成型工艺手糊、真空袋压模压模压：SMC，BMC，GMTD(Long Fiber Thermoplastics--Direct)LFTLFT--D(Long Fiber ThermoplasticsRTM：VARI: E--LFT创新工艺: E2012-4-24同济大学复合材料与结构所10复合材料在汽车上的应用概况141.4 复合材料在汽车上的应用概况1.4市场需求强劲增长高端市场（CFRP）Daimler:Daimler : 白车身减重10%目标Audi:Audi R8&Audi RS3Audi R8 & Audi RS3Mercedes: SLR2012-4-24同济大学复合材料与结构所11复合材料在汽车上的应用概况141.4 复合材料在汽车上的应用概况1.4市场需求强劲增长中档市场奇瑞A3CCSABIC Innovative Plastics长玻纤增强聚丙烯2012-4-24同济大学复合材料与结构所12复合材料在汽车上的应用概况1.4 复合材料在汽车上的应用概况1.414市场需求强劲增长新能源汽车：汽车的未来2012-4-24同济大学复合材料与结构所13141.4 1.4 复合材料汽车部件的应用概况复合材料汽车部件的应用概况OEMOEM: 汽车生产商参与原材料供应 09年底BMW/ SGL Carbon Group 成立合资企业 生产用于新概念汽车的碳纤维织物、预浸料 VW /SGL Carbon:PSA BMW/SGL C b PSA 标致：BMW/ SGL Carbon 供应商 Daimler Daimler ––TorayT t T h T Toyota Toyota ––Toho Toho Tenax Tenax 东邦Audi 与Voith 合作: 复合材料量产技术E ik Evonik Evonik ––CAMIMSA ：碳/芳纶/金属混杂结构2012-4-24同济大学复合材料与结构所142 纤维增强复合材料在车身上的应用纤维增强复合材料在车身上的应用2212.1 复合材料部件类型与减重效果2.2 典型车身应用实例2012-4-24同济大学复合材料与结构所152.1 复合材料部件类型与减重效果复合材料部件类型与减重效果2.1部件名称占车身总重量的百分比可能的减重效果内饰5%0%功能件50% （其中发动机占25-30%5%50%2530%）车身外覆盖件10%30%1015%次承力结构件10-15%30%底盘25%50% Source: JEC2012-4-24同济大学复合材料与结构所16222.2 典型车身结构应用实例2.2.1 BMW i i系CFRP驾驶舱221BMW2.2.1 BMW在电动车量产车型上的首个突破突破性构造理念：Life Drive框架BMW i3 (MCV)BMW i82012-4-24同济大学复合材料与结构所172.2 典型车身应用实例22222BMW MCV2.2.2 BMW MCV的CFRP引擎罩CFRP夹层结构2012-4-24同济大学复合材料与结构所18典型车身应用实例2.2 典型车身应用实例2.2222232.2.3 底盘豪华跑车M lMosler MT900车身与底盘CFRP底盘模压+热压罐成型的AFRP车体2012-4-2419同济大学复合材料与结构所222.2 典型车身应用实例典型车身应用实例2.22232.2.3 底盘高端跑车A di R8GTAudi R8 GT :从全金属车身到混合结构车身：CFRP底盘+铝副车架(2014)，减重目标：100kgLamborghini Aventador LP700--4Lamborghini Aventador LP7002012-4-24同济大学复合材料与结构所20典型车身应用实例222.2 典型车身应用实例2.22232.2.3 底盘高端跑车T L LFAToyota: Lexus LFA底盘结构的65%为CFRP 。
复合材料夹层结构芯材夹层结构的最初应用从上世纪初的航空航天业开始，逐步发展到今天的船舶、交通运输、运动器材、风力发电、医疗器材等领域。
德固赛（中国）投资有限公司上海分公司的胡培先生全面综述了各种芯材的特性、应用、市场分布及前景。
常用芯材及其应用玻璃钢/复合材料中常用的芯材有泡沫、巴萨木和蜂窝等多孔固体材料。
巴萨木目前主要的用途集中在风电、船舶、铁路车辆等行业。
相对而言，因为其密度选择范围小，面层破坏以后，吸水腐烂的缺点，已经逐步被PVC泡沫取代。
但是因为其价格优势，目前还有一定的市场。
蜂窝主要有NOMEX纸蜂窝和铝蜂窝，蜂窝材料具有各向异性的特点。
另外，因为蜂窝存在开孔结构，不适用一些湿法工艺或树脂注射工艺，例如船舶和风电等领域。
铝蜂窝因为和碳纤维面板之间存在电腐蚀的问题，一般不能和碳纤维一同使用。
另外，蜂窝结构在使用过程中，会因为面层破坏，发生渗水问题。
玻璃钢/复合材料中常用的泡沫芯材有聚氯乙烯（PVC）、聚苯乙烯（PS）、聚氨酯（PUR）、丙烯腈-苯乙烯（SAN）、聚醚酰亚胺（PEI）及聚甲基丙烯酰亚胺（PMI）等。
硬质聚氨酯PUR泡沫与其他泡沫相比，其力学性能一般，树脂/芯材界面易产生老化，从而导致面板剥离。
作为结构材料使用时，常用作层合板的纵、横桁条或加强筋之芯材。
有时PUR泡沫也能用于受载较小的夹层板中，起到隔热或隔音的作用。
该类泡沫的使用温度为150℃左右，吸声性能良好，成型非常简单，但是机械加工过程中易碎或掉渣。
PUR泡沫价格相对便宜，发泡工艺也比较简单，采用液体发泡。
目前主要在运动器材，例如网球拍、冰球棒中用做工艺芯材，并起到一定的阻尼作用。
另外在冲浪板中也普遍使用PUR 泡沫或EPS泡沫作为芯材。
基于Inspire的一体式复合支架拓扑优化设计一体式复合支架是一种结构新颖、性能稳定的支架，可以广泛应用于航空航天、汽车、船舶和医疗器械等领域。
为了提高支架的性能和减轻重量，拓扑优化设计成为了一种重要的方法。
本文将基于Inspire软件，探讨一体式复合支架的拓扑优化设计，以期为相关领域的研究和生产提供有益的参考。
2. 拓扑优化设计原理拓扑优化设计是一种通过改变结构的材料分布来优化结构性能的方法。
其基本原理是将结构划分成许多小单元，在每个小单元内选择合适的材料分布，使得整体结构的性能最优化。
通过不断迭代优化，可以得到最优的结构材料分布方案。
在支架的设计中，拓扑优化设计可通过优化支架的材料分布，减轻结构重量，并提高其稳定性和承载能力。
4. 一体式复合支架的拓扑优化设计（1）建立支架模型我们需要建立一体式复合支架的三维模型。
在建模过程中，需要考虑支架的结构特点和工作条件，合理确定支架的几何形状和尺寸。
根据支架的受力情况，确定支架的边界条件和加载条件，为后续的仿真分析做好准备。
（2）进行仿真分析接下来，需要对建立的支架模型进行仿真分析，获取支架在不同工况下的性能参数。
通过仿真分析，可以了解支架的受力情况、应力分布、变形情况等重要信息，为后续的拓扑优化设计提供依据。
（3）进行拓扑优化设计通过Inspire软件对建立的支架模型进行拓扑优化设计。
在进行拓扑优化设计时，需要根据支架的结构特点和受力情况，合理设置设计参数和约束条件，确定支架的优化目标和性能要求。
通过不断迭代优化，可以得到支架的最优材料分布方案，以实现最优的结构性能和最小的结构重量。
（4）优化结果分析对拓扑优化设计的结果进行分析和验证。
通过对优化结果的详细分析，可以了解支架的优化效果和性能提升情况，为最终的设计方案提供重要的参考信息。
还可以通过仿真分析对优化结果进行验证，确保优化设计的可行性和有效性。
本文围绕一体式复合支架的拓扑优化设计，基于Inspire软件进行深入探讨，提出了一种高效且可行的设计方法，并对其进行了详细的介绍和分析。
复合材料论文：复合材料微结构拓扑优化均匀化理论等效弹性性能敏度过滤【中文摘要】复合材料的宏观力学性能受到其微观结构和材料组分参数的影响,所以通过对材料微结构构型进行拓扑优化设计来获得具有期望性能的复合材料是必要且可行的。
本文以极端性能为优化目标进行周期性材料微结构的拓扑优化研究。
在运用均匀化理论预测周期性复合材料等效性能的基础上,以单元密度为设计变量、材料体积分数为优化约束条件、材料等效弹性矩阵的分量作为优化目标,结合各向同性惩罚材料插值法建立了极端弹性性能复合材料微结构拓扑优化模型。
运用优化准则法求解,得到具有最优横向抗拉强度、最优纵向抗拉强度、最优剪切性能以及最大双向抗拉性能加权和的材料微观结构。
本文阐述了微结构拓扑优化中出现的数值不稳定现象,并引入敏度过滤法解决数值不稳定问题。
探讨了优化模型中惩罚因子、过滤半径等影响参数对优化过程及最终优化结果的影响。
其结果表明:惩罚因子越大,优化收敛越快;过滤半径取值过小时棋盘格式等数值不稳定现象不能完全消除,取值过大则会出现模糊边界。
通过分析比较得到了最合适的参数值来构建优化模型。
最后将构建的最优模型应用于铝合金冲孔板的孔形设计,得到了在不同工况下都能使材料发挥最大潜力的结构。
且所得的构型的体积模量均接近Hashin-Shtrikman 上限值,说明优化构型的等效体积模量具有区间稳定性,优化效果明显。
本文以渐进均匀化理论为基础,结合结构拓扑优化理论进行复合材料微结构设计,实现了构件的轻质高强设计。
【英文摘要】For the macro-mechanical properties of composite material are affected by the micro-structure and the parameters of material components, it’s necessary and feasible to obtain composites with desired performance by the topology optimization design to the material micro-structure. Topology optimization design for microstructure of periodic material with the extreme elastic properties as optimization objective is studied on this paper.Based on the property prediction of periodic composites using homogenization theory,micro-structure topology optimization model with the extreme elastic properties is established. The SIMP is adopted in the model, by using the density of micro-unit as the design variable, the volume fraction of material as the optimization constraints, the macroscopic mechanical properties of material as the optimization objective, the OC method as the solution algorithm. The material micro-structure with optimal transverse tensile strength, optimal longitudinal tensile strength, optimal shear modulus and optimal weighted sums of bidirectional tensile strength are obtained.Several numerical instabilities phenomenon in micro-structure topology optimization processare described, and filtering of sensitivities technology is introduced to solve these problems. The influence of parameters in topology optimization model to optimal process and final optimization results is discussed. The results show that to increase the penalization factors, the optimization convergence process becomes faster. If filter radius is too small, the numerical instabilities such as checkerboard format cannot be completely eliminated, and while the value is too large the fuzzy boundaries will appear in the topology structure. The optimal parameters are chosen to construct an optimization model after analysis and comparison.Finally, the optimization model is applied to the hole shape design of aluminum alloy porous plate, obtaining a structure that the maximum potential of material is fully played at any working conditions. The obtained optimal structure effective bulk modulus are approach to upper limit value of Hashin-Shtrikman, which reveals the effective bulk modulus are interval stabile and the optimal results play obvious effects.In this paper, the micro-structure design of composites is carried out based on asymptotic homogenization theory and the theory of topology optimization. The implementation of the components with light weight and high strength is done.【关键词】复合材料微结构拓扑优化均匀化理论等效弹性性能敏度过滤【英文关键词】Composite Material Micro-structure Topology Optimization Homogenization TheoryEffective Elastic Properties Filtering of Sensitivities 【目录】基于均匀化理论的材料微结构拓扑优化研究摘要4-5Abstract5-6第一章绪论9-17 1.1 本文研究的背景与意义9 1.2 复合材料等效弹性性能预测的研究现状9-12 1.3拓扑优化研究现状12-15 1.3.1 结构拓扑优化12-14 1.3.2 微观结构拓扑优化研究现状14-15 1.4 本文研究的主要内容15-17第2章均匀化理论及其程序实现17-30 2.1 基于小参数渐进展开的均匀化数学模型17-21 2.2 均匀化方法的有限元形式21-23 2.3 均匀化方法的边界条件23-26 2.4 基于MATLAB的均匀化方法程序实现26-27 2.5 数值算例27-29 2.5.1 算例127-28 2.5.2 算例228-29 2.6 本章小结29-30第3章复合材料微结构优化30-42 3.1 具有极端弹性性能复合材料微结构优化方法30-36 3.1.1 优化模型的建立30-34 3.1.2 目标函数灵敏度求解34 3.1.3 灵敏度过滤技术34-35 3.1.4 优化准则35-36 3.2 微结构优化实施步骤36-37 3.3 数值算例37-41 3.3.1 算例137-39 3.3.2 算例239-41 3.4 本章小结41-42第4章微结构优化中数值不稳定现象及优化参数讨论42-56 4.1 微结构优化中数值不稳定现象42-44 4.2 数值不稳定现象的解决方法44-46 4.3 影响参数的讨论46-51 4.4 数值算例51-55 4.5 本章小结55-56总结与展望56-58参考文献58-62致谢62-63附录(攻读硕士学位期间已公开发表的论文)63【采买全文】1.3.9.9.38.8.4.8 1.3.8.1.13.7.2.1 同时提供论文写作一对一辅导和论文发表服务.保过包发【说明】本文仅为中国学术文献总库合作提供，无涉版权。
基于拓扑优化的复合材料汽车座椅骨架设计白煜;丁晓红【摘要】为满足汽车座椅轻量化和安全性的需求,综合采用轻量化材料和结构拓扑优化设计技术,提出了一种碳纤维复合材料乘用车座椅设计方法.新型座椅骨架由碳纤维层合板外壳和短切碳纤维加强筋两部分组成.首先,为提高座椅结构刚度和稳定性,利用结构拓扑优化技术在碳纤维层合板外壳区域内布置合理的加强筋,然后,通过优化碳纤维层合板外壳,提高结构整体刚度,降低骨架质量.结果表明,与参考钢制骨架相比,新型座椅骨架不仅整体刚度得到大幅提升,而且质量减少了30.72%,有显著的轻量化效果.%In order to meet the demand of lightweight and safety of the automotive seat,a design method for the carbon fiber composite material passenger car seat was proposed by using lightweight material and structural topology design optimization technology.The suggested new seat frame was composed of two parts,namely the carbon fiber laminate and short carbon fiber stiffener.In order to improve the stiffness and stability of the seat frame,the topology optimization method was used to arrange the layout of the stiffeners on the shell of carbon fiber laminate,and then the composite laminate optimization was implemented to improve the overall stiffness of the structure and reduce the weight of the frame.The results show that not only the overall stiffness of the new seat is raised,but also a significant reduction in weight about 30.72% is achieved.【期刊名称】《上海理工大学学报》【年(卷),期】2017(039)001【总页数】6页(P78-83)【关键词】汽车座椅;碳纤维复合材料;优化设计;轻量化【作者】白煜;丁晓红【作者单位】上海理工大学机械工程学院,上海 200093;上海理工大学机械工程学院,上海 200093【正文语种】中文【中图分类】TB33;U463.83+6目前温室效应、能源危机及环境污染等全球化问题日益严重,节能和环保成为世界各国最重要的命题.在汽车实现节能减排的途径中,通过材料轻量化和结构优化设计技术使汽车结构减重,是节能效果较好、容易实现的最有效技术方法之一.随着人们安全意识的增强,汽车座椅安全性法规要求越来越严格,传统的座椅骨架使用了较厚的高强度钢材,这样的设计尽管能满足设计指标和安全需要,但造成了座椅结构质量大、能耗和碳排放量高等问题.采用轻量化材料设计制造新型座椅骨架是解决目前问题的有效手段.在轻量化材料中,增强型碳纤维复合材料(carbon fiber reinforce polymer,CFRP)密度仅为钢材的1/5左右,在等刚度和等强度下,CFRP比钢材可减重50%以上,比镁铝合金可减重30%,具有独特的轻量化效果.CFRP的高强抗冲击性和极佳的能量吸收能力可以很好地改善汽车的安全性能.碳纤维的疲劳强度可达抗拉强度的70%～80%,其优异的抗疲劳、耐腐蚀性可以延长汽车寿命[1].CFRP在汽车上应用的另一个突出优势是结构整体成型,可大幅减少零件和紧固件数量,简化连接和装配,实现材料、功能、结构的一体化设计.因此,碳纤维复合材料汽车轻量化技术不仅可以提高汽车燃油效率、节省能源、显著减少污染物排放、实现环保,而且还能提高车辆的安全可靠性、加速性能、稳定可控性等,现已成为汽车工业领域轻量化技术的主流趋势[2].轻量化材料应用的核心问题是如何在满足相关座椅安全法规要求的前提下,合理地布局轻量化材料.本文以复合材料相关力学理论为基础,采用增强型碳纤维复合材料设计新的座椅结构,在保证满足相关安全法规的条件下,对碳纤维座椅骨架结构进行了结构拓扑优化设计和CFRP层合板优化设计,使其在满足刚度要求的同时,达到轻量化的目标.1.1 传统座椅结构目前乘用车后排座椅多采用钢制板管式骨架结构,如图1所示,其工艺较为简单,由钣金件和管件焊接而成,通过管件在钣金件上的布局提高座椅骨架的整体刚度,质量一般在11～15 kg[3].1.2 座椅法规要求汽车碰撞后,骨架的过大变形和破坏容易造成乘员二次受伤,需通过相关试验来验证座椅骨架的强度是否满足法规要求.座椅安全法规繁多,本文以要求较为严苛的后排座椅行李箱碰撞作为研究工况.后排座椅在正常使用时,构成行李舱的座椅靠背应具有足够的强度以保护乘员不因行李的前移而受到伤害.依照GB 15083-2006附录F《行李位移乘员防护装置的实验方法》[4]中的相关试验规定,行李箱动态冲击试验使用台车试验台,在其上施加一个不小于20 g的水平纵向加速度.试验中用2个质量为18 kg的刚性试验样块来模拟行李箱,布局如图2所示.以某型钢制座椅骨架作为参考设计原型,该参考骨架经试验验证,满足各项座椅安全法规的要求.参考座椅骨架在行李箱冲击试验中得到的冲击力最大值作为有限元模拟的静态加载工况,图3为后排座椅在动态碰撞过程中的冲击载荷曲线.座椅骨架60%一侧受到的冲击载荷最大,达到了17 355 N,40%一侧的最大冲击力为10 675 N.本文以该钢制骨架结构在上述工况的性能结果为评判依据.在上述工况下,该型钢制骨架的最大位移为110.75 mm,其结构质量为11.72 kg.2.1 骨架概念设计CFRP材料具有正交各向异性的材料力学特性,其构件的主要结构形式为层合板类板壳结构.单纯地增加CFRP层合板的厚度,整体结构刚度的提升效果不佳,反而会大大增加构件的质量.普遍的加强方式是通过布置一些加强筋来增加结构的整体刚度,但较成熟的结构拓扑优化技术只适用于各向同性材料,目前还没有布置复杂层合板加强筋行之有效的方法.层合板加强筋的布置主要还依靠经验,这给设计的可靠性产生很大的影响,在一定程度上造成了材料的浪费,而且CFRP层合板的制造对模具要求较高,复杂的加强筋排布会极大地增加生产耗时和成本[5].针对上述问题,新设计方案中的座椅骨架由CFRP层合板外壳和在层合板外壳内布置的短切碳纤维复合材料加强筋两部分组成.外层的CFRP层合板外壳作为座椅结构的基本骨架,起主要的支撑作用.层合板围成的箱体空间作为加强筋的主要布置区域.加强筋采用短切碳纤维复合材料,其密度小,有较高的比模量和比强度,纤维与基体材料混合均匀,各方向的力学性能差异不明显,可视为各向同性材料.座椅结构设计主要由CFRP层合板设计区和加强筋排布设计区组成,如图4所示.利用结构拓扑优化方法,寻找出相关工况下座椅结构受力时力的最佳传导路径.通过在这些部位布置短切碳纤维复合材料加强筋,可以在降低整体结构质量的同时,对碳纤维层合板骨架起到支撑和强化作用,提高座椅的刚度,使其具有更高的稳定性.最后通过优化CFRP层合板,进一步提高座椅骨架的整体刚度.2.2 工况设置新建座椅骨架的几何尺寸和连接方式与参考钢制座椅骨架相同.在座椅下端与地板连接位置约束X,Y,Z方向的移动自由度以及X,Z方向的转动自由度.座椅侧面锁止位置约束X,Y,Z方向的移动自由度,具体工况如图5所示.在行李箱撞击发生的对应位置用集中力模拟加载情况.在设计中为保证结构的可靠性,对最大冲击载荷适度放大,载荷系数取1.2.在模拟的工况中,对座椅靠背结构60%部分施加了20 826 N的力,对座椅靠背结构40%部分施加了12 810 N的力.座椅骨架结构整体的优化设计过程主要分为两个阶段:加强筋分布优化阶段和CFRP 层合板优化阶段.3.1 加强筋分布优化首先利用拓扑优化的方法,在加强筋设计区域寻找最优的加强筋布置方案,使有限的结构材料充分发挥其力学性能.采用基于各向同性材料的变密度法(SIMP)进行加强筋分布优化[6].SIMP方法是一种密度-刚度差值拓扑算法.以设计域内每个单元人为假定的单元密度(伪密度)为设计变量,该密度在0～1范围内取值,利用0～1之间实数的p次幂(p>1)会变得更小这一规律,对材料密度插值的中间值进行重新惩罚评估,使中间值向0或1靠近,这样大密度的单元与小密度的单元分化更明显.材料的单元密度用ρε表示.在SIMP方法中,优化后单元的弹性模量式中:Ee表示优化后单元的弹性模量;E0表示单元密度为1时的弹性模量;p为幂指数.汽车座椅骨架的刚度特性是汽车座椅骨架设计的关键.由于柔度与刚度成倒数关系,以座椅结构整体柔度最小为优化目标,可得到符合约束条件下刚度最大的结构.在拓扑优化中,对设计区域的体积进行一定的约束,可以在降低骨架质量的同时,得到轻质高强的座椅骨架结构.拓扑优化数学模型为式中:C为座椅靠背结构的整体应变能;Fi为碳纤维层合板TSAI-WU破坏准则判断参数,小于1,表示材料未发生破坏,以保证在拓扑优化过程中CFRP层合板不被破坏[7];V为优化后加强筋分布区的体积;V0为优化前加强筋分布区的体积;V*为保留分数,设定为0.5;dn为节点位移;[dmax]为规定的节点位移上限.考虑到拓扑形态对布置加强筋的参考意义,拓扑优化过程添加了拔模工艺约束.利用OptiStruct软件进行拓扑优化计算,迭代过程如图6所示.E为应变能，N为迭代次数.经过100次迭代后,结构应变能逐渐趋于稳定,迭代达到收敛,得到最佳的传力路径.分析得到的加强筋排布区域的单元密度分布云图(图7),云图中红色区表示单元密度接近1,需要保留,这些区域也是加强筋的主要排布位置.通过拓扑优化,骨架结构的质量由设计初始的18.66 kg减小到11.68 kg,最大位移为67.87 mm,结构的整体刚度得到明显的提高.参考拓扑优化得到的单元密度云图,选定设计区域内加强筋的主要排布位置,建立新的座椅几何模型,如图8所示.为简化加工和设计难度,加强筋多按垂直纵横交叉方式排布,并加强了与座椅固定位置的连接,在行李箱与背板碰撞区对加强筋排布进行了一定的加密.在新的座椅骨架结构中,为了使结构具有更好的稳定性,在加强筋与碳纤维层合板外壳四周保留了一定厚度的过渡区.对新建的座椅结构进行有限元分析,新建骨架质量为12.03 kg,与拓扑优化结果略有不同,超过了原钢制骨架质量11.72 kg.最大位移为89.82 mm,与原钢制骨架相比,整体刚度提升很大,在刚度方面有较大的优化空间.可以对新骨架结构进行一定的优化,以求降低质量,达到轻量化的设计要求.3.2 CFRP层合板优化碳纤维复合材料结构的力学性能取决于层合板的力学性能和几何结构,层合板设计是复合材料设计最为重要的环节.在设计中需要遵循一些设计原则[8].a. 主应力原则:纤维取向因尽量与构件的主应力方向一致,充分发挥纤维的承载能力.b. 铺层角度原则:一般多采用0°,90°和±45°等铺层角度,以简化设计和施工量.c. 对称均衡铺设原则:均衡对称层合板可以避免各种偶合作用引起的翘曲变形.d. 铺层顺序原则:同一角度的铺层尽量均匀分布,限制相同角度连续铺层数量,以防止分层和开裂等破坏.由于CFRP层合板框架为新座椅骨架的主要承力构件,在该阶段中,对新建的座椅骨架进行CFRP层合板优化,可以在降低质量的同时,提高结构的整体刚度.CFRP层合板优化主要由3个优化过程组成.从层合板的各角度铺层厚度、铺层数量、铺层顺序等方面将优化过程分为自由尺寸优化、铺层厚度离散优化、叠层顺序优化这3步.3.2.1 自由尺寸优化由于复合材料具有正交各向异性的材料特性,不同角度铺层的受力情况不同,因此,为使复合材料层合板结构中各铺层发挥其最大功效,有必要对各铺层的排布位置及厚度进行优化排布.自由尺寸优化的主要目的是在满足座椅骨架结构刚度的条件下,求得最优的各角度铺层的厚度分布.设计变量为各角度铺层的厚度.座椅结构中层合板的初始铺层顺序为[0°/45°/-45°/-90°],每层厚度均为2 mm.自由尺寸优化数学模型为式中:T为层合板的总厚度;Tmin,Tmax分别为层合板厚度的最小与最大限制值;εcom为复合材料的应变值;ε*为复合材料层合板层间应变许可值.自由尺寸优化后各角度铺层的厚度分布如图9所示,新骨架质量减为10.01 kg,最大位移为96.58 mm,新骨架的质量和刚度都得到改善.3.2.2 铺层厚度离散优化层合板由众多单层板叠层组成.自由尺寸优化得到的铺层厚度是一系列不规律的数值,从加工工艺和经济性考虑,CFRP单层板的厚度需要有一个恒定值,以便于规模化的生产加工.这就需要对自由尺寸优化得到的各角度铺层板厚度进行离散化和圆整处理[9].式中:Ni为各角度分层数量;Ti为各角度铺层的厚度;t为单层厚度.CFRP单层厚度一般在0.10～0.25 mm之间,本文t取0.10 mm.离散优化后各角度铺层分层结果如表1所示.本步优化以质量最小化为目标,在满足一定刚度的前提下,提高座椅的轻量化程度.优化后座椅骨架的质量降为8.12 kg,最大位移为98.51 mm.3.2.3 叠层顺序优化铺层离散化后铺层的数量显著增加,使得不同角度铺层的叠层顺序优化变得很有必要.在进行铺层顺序优化时,按照经典层合板理论,在满足相关铺层设计要求的条件下,通过计算不同的铺层排列顺序,得到层合板的最大刚度系数矩阵,进而得到座椅结构最大的刚度.根据相关制造工艺要求,在进行层合板铺层顺序优化时,以柔度最小为目标,添加的约束有:同一角度连续铺层的数量一般不超过4层,减小边缘分层现象的出现;±45°铺层成对铺设且反向排列,可提高构件抗屈曲性能;层合板的最外层铺层角度为±45°,可提高抗冲击性能[10].经叠层顺序优化后得到最终结果.60%层合板顺序:40%板铺层顺序:[±45/(±45/902/0/∓45/902/0)3]经过CFRP层合板三步优化之后,新建的座椅骨架的最终质量为8.12 kg,最大位移为97.24 mm.3.3 优化前后结构性能比较在设定的工况下,各阶段座椅骨架性能结果如表2所示.从刚度方面分析,复合材料层合板优化后,由于座椅结构中层合板质量减少,一些部位厚度变薄,使得座椅总体刚度与拓扑优化后的骨架结构相比有所下降,最大位移由89.50 mm增加到97.24 mm,座椅骨架变形相对增大,但最大位移依然小于参考钢制骨架,整体刚度满足要求.从质量方面分析,拓扑优化后的座椅骨架虽然在刚度方面得到显著提升,但其质量与参考钢制骨架相比有所增加,而层合板优化后骨架在刚度满足的同时,质量得到明显改善.综合考虑,层合板优化后骨架性能最佳,最终的新型轻量化骨架达到设计要求.a. 通过对座椅骨架结构的多阶段优化设计,提出了一种复合材料乘用车座椅骨架的设计方案.结果表明,新型骨架与参考钢制骨架相比,在整体刚度满足要求的同时,质量减轻了30.72%,轻量化效果明显.b. 根据复合材料成型特点,新结构可以选择适合的成型方法,通过整体成型,大幅减少零件数量.新型轻量化骨架整体结构零件数量为4个,而参考钢制骨架零件数量为11个,大幅度地减少了零件数量,简化了部件的组装工序,对碳纤维复合材料的实际应用有很强的工程指导意义和应用价值.【相关文献】[1] 何天白.碳纤维复合材料轻量化技术[M].北京:科学出版社,2015.[2] 曹渡.复合材料轻量化技术在整车上应用趋势探究[R].宁波:中国科学院宁波材料技术与工程研究所,2014.[3] ZHANG Y Q,DING X H.Multi-objective design optimization of automotive seat skeleton by considering dynamic collision condition[C]∥Proceedings of 2013 Internationl Symposium on Advanced Mechanical and Power Engineering,2013,11:13-21.[4] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局,中国国家标准化管理委员会.GB 15083-2006汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法[S].北京:中国标准出版社,2007.[5] KONDAPALLIP S,GRUMM K.Application and CAE simulation of over molded short and continuous fib er thermoplastic composites:Part I[C]∥12th International LS-DYNA Users 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复合材料夹层结构芯材夹层结构芯材的应用领域十分广泛，例如在航空航天领域中，夹层结构芯材被广泛应用于飞机机身、机翼和尾翼等部件中，可以显著提高飞机的抗弯刚度、抗压能力和疲劳寿命，同时减轻了整体重量。
在轻型车辆领域，夹层结构芯材可以用于汽车车身和座椅等部件中，提高汽车的碰撞安全性和节能性能。
在建筑领域中，夹层结构芯材可以用于墙体和屋顶等部件中，提高建筑的抗震性能和隔热性能。
夹层结构芯材的主要组成部分是芯材、上下面板和粘接剂。
芯材通常采用轻质、高强度的材料，例如泡沫塑料、铝合金、蜂窝结构等。
泡沫塑料芯材具有质量轻、耐腐蚀、吸音隔热等优点，常用于航空航天和建筑领域。
铝合金芯材具有高强度、刚性好、阻燃性能好等优点，常用于汽车和建筑领域。
蜂窝结构芯材由许多蜂窝状的小腔体组成，具有高比强度、刚度和吸能性能，常用于航空航天领域。
上下面板通常采用玻璃纤维增强复合材料、碳纤维增强复合材料等高强度材料制成，以提供夹层结构的表面强度。
粘接剂用于将芯材和上下面板牢固地粘接在一起，以形成整体结构。
夹层结构芯材具有许多优越性能。
首先，它具有较高的强度和刚度，能够有效抵抗外部载荷作用下的变形和破坏。
其次，夹层结构芯材具有较低的密度，可以减轻整体重量，提高产品的载重能力和燃油经济性。
此外，夹层结构芯材还具有良好的冲击吸能性能，能够吸收和分散冲击能量，减少事故发生时的伤害。
另外，夹层结构芯材还具有优异的阻燃性能和耐腐蚀性能，能够提高产品的安全性和使用寿命。
然而，夹层结构芯材也存在一些问题和挑战。
首先，制备复杂，加工难度大，需要高精度的模具和复杂的工艺控制。
此外，夹层结构芯材的成本较高，需要考虑生产成本和性能要求之间的平衡。
另外，夹层结构芯材的设计和优化也需要考虑多个因素的影响，包括结构形式、材料选择、制备工艺等，需要进行全面的性能评估和优化设计。
综上所述，夹层结构芯材是一种具有特定性能和结构的夹层材料，应用广泛且具有许多优越性能。
复合材料泡沫夹层结构在汽车外饰中的应用和发展作者：赢创德固赛范海涛汽车外饰目前的材料体系汽车外饰件，即汽车外部的功能性或装饰性部件，主要包括保险杠、翼子板、车身裙板、外侧围、进气道、车顶盖、车门、散热器格栅、发动机罩、扰流板、防擦条、后门拉手和脚踏板等。
由于其所处的位置（外部)和具有的功能（防撞等）,这些部件所用材料要求具有较高的强度、韧性、耐环境条件的性能及抗冲击性能.随着汽车工业和材料工业技术水平的不断提高，汽车外饰材料已逐渐走向多元化。
除了普通钢材以外,高强度钢、铝镁合金、工程塑料和各种复合材料也正得到越来越多的应用.其中,复合材料以其质量轻、可设计性好和抗腐蚀等优点日益得到广泛应用。
图1 夹层结构的概念一般，选用汽车外饰材料的决定因素包括：材料成本、生产率、加工难度、设计方法的成熟性以及汽车重量等.根据汽车类型的不同，所用复合材料种类也不尽相同。
对于普通轿车而言，成本和生产率是着重考虑的因素。
因此，除了金属材料外,目前此类汽车最常用的外饰材料是热塑性塑料（有时加入短玻璃纤维增强)。
这类材料可以通过注射模塑工艺实现量产，具有较高的生产率。
与热塑性塑料相比，热固性塑料的应用较少。
一般，只有两种工艺能够实现热固性复合材料的中高规模的量产：即片状模塑成型（SMC）和树脂转移模塑成型(RTM）。
图2 ROHACELL在雷诺第三代和第四代Espace汽车上的应用运动型和概念验证型轿车通常对低重量、高强度/刚度的要求较高，一般不需要实现大规模量产（即对生产率要求不高），其面向的市场可承受较高的成本，因此此类汽车的外饰广泛采用了纤维增强复合材料。
而承担运输任务的卡车和拖车，其车体重量对运输成本有较大的影响，因此此类汽车也有采用复合材料(纤维增强复合材料、夹层板等)的实例。
表中列出了复合材料在某些车型外饰上的应用。
其中SMC为片状模塑成型，RTM为树脂转移模塑成型，RIM为反应注射成型，VI为真空树脂注入成型。
汽车B柱复合材料加强件的性能及拓扑优化研究在现代汽车工业的舞台上，安全性如同一位严苛的导演，要求每一辆汽车都必须经过严格的“试镜”，以确保它们在面对意外时能成为乘客的坚实盾牌。
而在这出戏中，B柱作为车身结构的关键支撑点，其性能的优劣直接关系到整车的安全性能。
因此，对B柱复合材料加强件的研究，就如同为这位“盾牌”披上一层坚不可摧的铠甲。
首先，我们要明确一点：为什么要使用复合材料来加强B柱？这就像是问，为什么古代战士要穿上铁甲一样。
答案很简单——为了更强的防护能力。
复合材料以其轻质高强的特性，成为了提升B柱性能的理想选择。
它就像是给B柱注入了一剂“强心针”，使其在承受撞击时能够更加坚固耐用。
然而，仅仅将复合材料应用于B柱并不足够。
我们还需要通过拓扑优化技术，对这些材料进行精确的布局和设计。
这就好比是一位雕塑家在雕刻作品时，必须精心考虑每一处细节，以确保整体的美感和稳定性。
拓扑优化技术能够帮助我们在保证B柱强度的同时，减轻其重量，实现轻量化的目标。
这不仅提高了燃油经济性，还降低了整车的碳排放，符合当下对环保的严格要求。
接下来，让我们深入探讨一下拓扑优化技术是如何发挥作用的。
想象一下，如果我们将B柱的内部结构比作一张蜘蛛网，那么拓扑优化就是在这个网上巧妙地编织出最佳的图案。
通过模拟计算和实验验证，我们可以确定哪些部分需要更多的“丝线”来增强强度，哪些部分则可以适度减少，以减轻重量。
这种精细的调整就像是在织一张既能捕捉猎物又轻便灵活的蜘蛛网。
此外，我们还需要考虑B柱在不同工况下的受力情况。
这就像是评估一位舞者在各种舞蹈动作下的稳定性和耐力。
通过模拟碰撞、扭转等不同场景下的力学响应，我们可以进一步优化B 柱的设计，确保其在极端情况下也能保持出色的性能表现。
当然，任何一项技术都不可能完美无缺。
在使用复合材料加强B柱的过程中，我们也面临着成本控制、生产工艺复杂性增加等问题。
这就像是在制作一件精美的艺术品时，我们必须在创意与实用性之间找到平衡点。
