汽车单体壳转角处的铝蜂窝铺层方式优化

汽车单体壳转角处的铝蜂窝铺层方式优化

陈金盛应嘉敏 杨亚莉 项虹俞 屠逸菲周天俊

上海工程技术大学  上海  201620

摘 要：本课题在电动方程式比赛单体壳铺设过程中发现，对铝蜂窝进行弯折后产生的形变可能会影响强度。由此探讨汽车单体壳转角处铝蜂窝铺层方式的优化策略。通过对现有汽车结构设计中铝蜂窝铺层方式存在的问题进行分析，提出了一种基于优化算法的新型铺层方式。该铺层方式结合了转角处的几何形状和应力分布特点，通过优化布局和层厚设计，实现了在转角处的应力均匀分布和强度提升。实验结果表明，该优化方案在提高汽车单体壳转角处的抗弯强度和抗冲击性能方面具有显著效果，为汽车结构设计提供了一种新的优化思路和方法。

关键词：汽车单体壳；铝蜂窝；转角处；铺层优化；结构设计

1. 引言

本课题将通过以下研究方法和思路，根据FSC竞赛规则，以各种预想铝蜂窝铺层方式，改良设计整车安全性、轻量化等其他性能的目标，来优化单体壳折角处的处理:

（1）符合FSC赛事规则标准要求，在结构等同性上能完全替代钢管桁架式车架；

（2）截取折角处，对不同铝蜂窝铺层方式进行建模仿真，推算出更为合理的铺层方式

（3）简化整车弹性元件（主要是悬架及车架），建立相应的扭转刚度数学模型，并在 MATLAB 中进行编程，求得较为合理的车架扭转刚度设计目标；

（4）学习复合材料理论知识，选择合适的预浸料及芯材，根据经典层合板理论确定单体壳铺层方案；

（5）铺层确定后进行实验板加工，根据实验结果进行调整；

通过Altair  Hypermesh软件，利用Optistruct求解器对单体壳折角进行优化。

2. 铝蜂窝力学性能概述

目前，关于蜂窝结构的分析方法通常采用有:解析法、有限元法及试验法。蜂窝几何结构的有限元模型结构复杂，计算成本较高，在工程应用中往往受限。夹芯结构从细观的角度而言并不属于材料，而是属于结构;从结构角度来看，无论是泡沫夹芯、蜂窝夹芯还是波浪夹芯都不算均质材料，等效理论通常将芯层等效为均质材料来进行分析，其等效模型解析形式简单，便于进行快速设计和参数化分析，被广泛应用于工程中，且具有较高的学术研究价值。为了不断提高计算精度,许多学者提出了多种等效模型来对夹芯结构进行分析,其中主要的等效理论如下：

(1)Reissner(莱斯纳尔)理论。是将夹芯结构的面板看作薄膜，忽略面板自身的抗弯刚度，假设芯层只承受横向剪切力。该方法在求解夹层板的总体弯曲和压曲问题方面具有简单高效的特点。

(2)Hof理论。基于Reissner理论提出的，考虑了面板自身的抗弯刚度假设芯层承受横向剪切力;与Reissner理论的不同之处在于，该理论中不仅认

为芯层能够承受横向剪力，还考虑了面板的抗弯刚度。

(3)普鲁卡克夫-杜庆华理论。考虑了蜂窝芯层的横向变形，假设蜂窝芯层可承受剪力，但是由于其数理方程较为复杂，在工程实践中的应用难度较大。

(4)三明治等效理论。作为蜂窝复合材料夹芯结构简化的一种方法，将芯层等效成一层均质材料，假设芯层能够抵抗横向剪切变形并具有一定的面内刚度，然后采用其与上下面板所组成的层合板结构来表征夹芯结构，进而进行计算。

目前在蜂窝夹芯结构的力学性能研究中，常基于三明治等效理论，因此蜂窝结构等效参数的相关研究是蜂窝夹层结构设计和计算的重要基础，深入研究蜂窝芯层的力学特性具有重要的应用意义。张铁亮[12]分别采用Reissner理论、Hof理论和三明治夹芯等效理论三种等效方法建立了蜂窝夹芯结构有限元模型研究表明，相对于其他两种等效理论，采用三明治夹芯结构理论对蜂窝夹层板结构进行等效所得结果最优。

图1.1铝蜂窝样板图

3. 不同方式的铺层设计

基于铝蜂窝在转角处铺层时，需要手动弯折铝蜂窝，导致材料形变。外角蜂窝密度下降，内角密度上升，从而导致材料力学特性的变化，基于此操做过程中出现的问题，设想了如下不同的处理方式：

图2.1 方案1与方案2

图2.2  方案3与方案4

1.自然弯折（不做任何破坏）

2.将板材破坏一半厚度后弯折

3.将两边处理成合适形状，在折角处衔接

4.一边填实角落，另一边覆盖在上

根据CAE仿真和实验板力学实验结果证明方案三为最合理的铺设方式。

4 单体壳建模

在设计之初，可以在CATIA零件模块下的草图画出简单的人机工程二维图，来确认各总成的相互关系，进行概念设计，如图4.1所示，此处与前几个赛季不同，选择了后轴作为基准轴（即后轴在面 yOz 上），所有设计向前推的思路。因为考虑到许多总成都和后轴有着紧密的关系：动力总成输出轴、后悬架、空气动力学套件的最后点位置等等，相比前轴更容易产生更明确的链式递推关系（动力总成—电池箱—防火墙—人机 H 点）。

5. 单体壳CAE优化

在 OptiStruct 求解器中，关于复材的 CAE 仿真优化，一般有以下几个设计目标：铺层（剪裁）形状、铺层比、铺层厚度、铺层角与铺层顺序，该求解器在优化分析过程中会考虑各层的加工要求及力学性能约束。其设计流程如下图5.1所示。

图5.1  基于 OptiStruct求解器的复材CAE优化流程

5.1 前处理

CAD模型在导入HyperMesh后是不能直接使用的，需要划分网格、定义相关参数后才能进行计算.如下图6.1.1所示，左侧是网格单元质量检查，右侧是本文使用的质量评判准则。

图5.1.1网格单元质量检查及其标准

在开始正式的载荷工况以及优化参数定义前，还需要对整车网格的法线方向（Element Normals）以及材料方向（Material Orientation）的检查，如图5.1.2。

图5.1.2 材料方向显示

图5.1.3 层合板可视化厚度

5.2 自由尺寸优化

复合材料得自由尺寸优化与常规零件进行的拓扑优化非常相似，都属于对材料进行削减的优化方法。图5.2.1中，是一个基于壳单元部件的可视化厚度截面图，T是总厚度，T0是总厚度。对于自由尺寸优化来说，分析后的部件厚度可以任意在T和T0间变化；而若进行拓扑优化，那厚度要么只能是T或者T0，即单元密度为1或0，如图4.2.2。

5.2.1 壳单元的界面图

图5.2.2 两种分析结果对比

对单体壳的CAE模型进行约束、载荷和载荷布的设定同样是对于左前角悬架轮边基于一个垂向力，即单论跳动工况，去模拟赛车侧倾时车架的扭转工况。作为一个数学模型，任何优化分析也通常有三要素，本课题所设置的相关参数如下表5.2.1所示。

表5.2.1 自由尺寸优化的设计要素

设计约束和设计目标都属于优化响应（Response），还是本着轻量化的角度出发， 因此以质量为约束；如果除了扭转工况设计者还设定了其他工况下的载荷布，可以把“最小加权柔度”（Weighted Compliance）作为设计目标，此外用前左轮的最小垂直静态位移也是可取的，这是为了更大的比刚度而考虑的；在设计变量（Design Variables）中，除了可以设定层合板厚度的上下区间外，也可以限定±45°两种铺层角平衡（层数相等），自由度很大。而对于自由尺寸优化所得到的优化结果很难进行直接加工，还需要尺寸优化才能满足易于加工的前提。

7. 结论

本文以铝蜂窝不同铺设方式来提升单体壳力学性能，其中单体壳扭转刚度为重要的设计目标，优化的铺设能将车架扭转刚度与悬架扭转刚度比值达到10倍以上，增强了结构总体刚度，提高了赛车直观操纵感。同时在考虑到实际情况和轻量化的目标，一般选择将车架的设计目标定为悬架等效刚度的8~10倍比较合理，此时收益相对较为可观。最终，本文设计的单体壳质量达到了22.85kg（考虑前环），车架扭转刚度达到了，达到悬架扭转刚度的10.801倍，达到设计目标。

参考文献

【１】刘玥. 蜂窝复合材料夹芯结构承载特性及渐进损伤失效研究[D].哈尔滨工业大学,10213.2020

【２】赵金森. 铝蜂窝夹层板的力学性能等效模型研究[D].南京航天航空大学, 1028701 07-0073.2006

【３】蔡昊睿,刘宁宁,黄碧雄.FSAE赛车复合材料单体壳强度分析及优化[J].机电信息,2022(14):31-34.DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.14.009.

【４】余海燕,徐豪,周辰晓.大学生方程式赛车复合材料单体壳车身优化[J].同济大学学报(自然科学版),2016,44(11):1729-1734+1748.