白翠平，馬其華，周天俊

（1.上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，上海201620；2.東華大學(xué)高性能纖維及制品教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620；3.東華大學(xué)纖維材料改性國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海201620）

采用輕量化材料是實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的重要手段之一。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高強(qiáng)度、高剛度、良好的耐蝕性及較強(qiáng)的可設(shè)計(jì)性等特點(diǎn)，受到了國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。CFRP的力學(xué)性能呈各向異性，這與其微觀組成和鋪層方式密切相關(guān)。許多學(xué)者針對(duì)CFRP的鋪層優(yōu)化做了大量研究。例如：Riche等［1］基于改進(jìn)遺傳算法有效縮短了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（fiber reinforced polymer，F(xiàn)RP）鋪層順序優(yōu)化的計(jì)算時(shí)間，提高了計(jì)算效率；Liu等［2］針對(duì)多工況多設(shè)計(jì)變量的研究對(duì)象，提出了結(jié)合Kriging代理模型和修正粒子群優(yōu)化（particle swarm optimization，PSO）算法的汽車(chē)復(fù)合保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)方法；胡仁祥［3］對(duì)不同汽車(chē)零部件采用不同的優(yōu)化方法，采用Hyperworks軟件中的Optistruct模塊對(duì)CFRP汽車(chē)蓄電池箱殼體進(jìn)行鋪層的自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化（下文簡(jiǎn)稱(chēng)為三步優(yōu)化），同時(shí)采用多階段優(yōu)化方法對(duì)CFRP汽車(chē)懸架擺臂進(jìn)行整體拓?fù)鋬?yōu)化、層組尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化，結(jié)果表明2種優(yōu)化方法的輕量化效果明顯，優(yōu)化效果較好；肖志等［4］、馬芳武等［5］、張大鵬等［6］采用Optistruct模塊分別對(duì)CFRP汽車(chē)的頂蓋、B柱加強(qiáng)板以及前端結(jié)構(gòu)進(jìn)行了鋪層優(yōu)化，且在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮了相關(guān)的制造約束；戚振杰等［7］采用三步優(yōu)化法對(duì)CFRP汽車(chē)后背門(mén)進(jìn)行了鋪層優(yōu)化，不同的是他們?cè)谧杂沙叽鐑?yōu)化后進(jìn)一步考慮了實(shí)際加工問(wèn)題，對(duì)CFRP汽車(chē)后背門(mén)的鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了手動(dòng)裁剪；Ma等［8］基于汽車(chē)金屬后背門(mén)的結(jié)構(gòu)性能，對(duì)CFRP后背門(mén)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，并結(jié)合鋪層原理，對(duì)CFRP后背門(mén)進(jìn)行了復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與建模，結(jié)合考慮單鋪層厚度的制造約束，利用三步優(yōu)化法得到了CFRP后背門(mén)的設(shè)計(jì)方案。綜上所述，在復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)中，三步優(yōu)化法的應(yīng)用較為廣泛，其研究對(duì)象主要為薄壁件；此外，在復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化設(shè)計(jì)階段，學(xué)者們?cè)絹?lái)越重視材料制造工藝的約束。

傳統(tǒng)材料零部件的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程是一種接續(xù)式生產(chǎn)過(guò)程，強(qiáng)調(diào)兩者間的緊密銜接。而復(fù)合材料零部件的設(shè)計(jì)更強(qiáng)調(diào)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝設(shè)計(jì)并行展開(kāi)［9］。所謂并行設(shè)計(jì)，是一種在產(chǎn)品生產(chǎn)的各個(gè)階段開(kāi)展并行、集成設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化工作模式，其廣泛應(yīng)用于航空航天、計(jì)算機(jī)及機(jī)械等眾多領(lǐng)域。Xie等［10］提出了基于互聯(lián)網(wǎng)的制造設(shè)計(jì)和成本設(shè)計(jì)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了快速、經(jīng)濟(jì)的模具制造模式；曾慶良等［11］基于并行工程理念，同步開(kāi)展產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和成本評(píng)估，力求在滿(mǎn)足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的同時(shí)降低產(chǎn)品成本；趙果等［12］以特征為基本單元計(jì)算成本，建立了并行設(shè)計(jì)過(guò)程中注塑件的成本估算模型，并提出了降低產(chǎn)品成本的設(shè)計(jì)方法。由此可知，在設(shè)計(jì)過(guò)程中將結(jié)構(gòu)優(yōu)化和制造工藝優(yōu)化相結(jié)合，對(duì)復(fù)合材料產(chǎn)品的設(shè)計(jì)具有重要意義。

近年來(lái)，已有不少學(xué)者針對(duì)CFRP汽車(chē)零部件展開(kāi)了優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析，但結(jié)合CFRP零部件成型特點(diǎn)的結(jié)構(gòu)和制造工藝并行設(shè)計(jì)鮮有人研究。本文以汽車(chē)油底殼為研究對(duì)象，提出CFRP油底殼的結(jié)構(gòu)與制造工藝并行優(yōu)化設(shè)計(jì)思路：基于CFRP殼體類(lèi)零件成型工藝特點(diǎn)與油底殼基本性能要求，對(duì)CFRP油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用三步優(yōu)化法對(duì)CFRP油底殼進(jìn)行鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)［13］，并以制造工藝要求為基礎(chǔ)調(diào)整其鋪設(shè)邊界尺寸，以滿(mǎn)足CFRP油底殼性能和制造工藝的多目標(biāo)要求，具體流程如圖1所示。

圖1 CFRP油底殼的結(jié)構(gòu)和制造工藝并行優(yōu)化設(shè)計(jì)流程Fig.1 Concurred optimal design flow of structure and manufacturing process of CFRP oil pan

1 金屬油底殼有限元仿真分析

1.1 有限元模型的建立與驗(yàn)證

以某型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的油底殼為研究對(duì)象，在Hypeworks軟件中建立其有限元模型，并在不影響有限元模型計(jì)算精度的條件下，對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化處理。采用大小為4 mm×4 mm的二維單元對(duì)油底殼三維模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到油底殼有限元模型的節(jié)點(diǎn)總數(shù)為32 160個(gè)，單元總數(shù)為32 662個(gè)，其中CTRIA3單元的數(shù)量為229個(gè)，所占比例為0.70%，滿(mǎn)足分析要求。金屬油底殼由鋼板沖壓制成，所用鋼的彈性模量為200 GPa，泊松比為0.31，密度為 7 800 kg/m3。

為驗(yàn)證有限元模型的準(zhǔn)確性，對(duì)金屬油底殼的自由模態(tài)進(jìn)行仿真和試驗(yàn)分析，并對(duì)比各階自由模態(tài)的固有頻率，結(jié)果如表1所示。由表1可以看出，仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合，誤差不超過(guò)8%，滿(mǎn)足精度要求，驗(yàn)證了有限元模型的準(zhǔn)確性。此外，由標(biāo)準(zhǔn)工況（轉(zhuǎn)速為2 200 r/min）下的發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)可知，其側(cè)面中心測(cè)點(diǎn)垂直方向、水平方向以及活塞運(yùn)動(dòng)方向的振動(dòng)能量集中在200 Hz附近及400～600 Hz范圍內(nèi)。在發(fā)動(dòng)機(jī)寬頻激振力的作用下，金屬油底殼易產(chǎn)生共振，從而導(dǎo)致油底殼輻射出噪聲。因此，為避免發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼因共振而產(chǎn)生較大的噪聲，即實(shí)現(xiàn)油底殼的減振降噪，需調(diào)整與上述頻率對(duì)應(yīng)的油底殼各階約束模態(tài)的固有頻率，以改善其動(dòng)態(tài)特性。

表1 金屬油底殼各階自由模態(tài)固有頻率的仿真值與試驗(yàn)值對(duì)比Table 1 Comparison of simulated and experimental value of natural frequency of each free mode of metal oil pan

1.2 不同工況下金屬油底殼仿真分析

為實(shí)現(xiàn)后續(xù)替換油底殼材料的設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過(guò)仿真分析獲取內(nèi)壓與約束模態(tài)兩種工況下金屬油底殼的性能。設(shè)置內(nèi)壓工況是考慮到金屬油底殼在正常工況下承載了一定壓力，其需具備抵抗變形和破壞的能力，這也是CFRP油底殼的基本設(shè)計(jì)要求。在內(nèi)壓工況下，若油底殼最大應(yīng)力大于材料的拉伸強(qiáng)度極限，則需對(duì)其進(jìn)行應(yīng)力分散處理，即對(duì)油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)。為避免油底殼隨整車(chē)工作時(shí)產(chǎn)生共振，需按照安裝條件分析其約束模態(tài)。

圖2（a）為2種工況下金屬油底殼的約束位置（H1至H16），即油底殼與發(fā)動(dòng)機(jī)的連接螺栓孔處，約束螺栓孔處x、y、z方向上位移和旋轉(zhuǎn)的自由度；圖2（b）為內(nèi)壓工況下金屬油底殼的加載位置，即在油底殼側(cè)面與底面上施加大小為0.035 MPa的均勻載荷［14］。將金屬油底殼三維模型導(dǎo)入Hyperworks軟件中，分別施加2種工況所要求的約束和載荷，并采用Optistruct模塊進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析，結(jié)果如圖3和圖4所示。由圖3（a）可知，金屬油底殼承受的最大內(nèi)壓為0.035 MPa，最大Von-Mises等效應(yīng)力出現(xiàn)在其側(cè)面，為140.8 MPa，低于材料的拉伸強(qiáng)度極限270 MPa；由圖3（b）可知，最大位移主要出現(xiàn)在金屬油底殼兩側(cè)，為0.54 mm。將上述結(jié)果作為CFRP油底殼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)的性能標(biāo)準(zhǔn)。圖4所示為金屬油底殼的約束模態(tài)振型，其中圖4（a）為一階扭轉(zhuǎn)振型，即第1階約束模態(tài)振型，其對(duì)應(yīng)的固有頻率為329.33 Hz；圖4（b）為一階彎曲振型，即第2階約束模態(tài)振型，其對(duì)應(yīng)的固有頻率為432.30 Hz，將其作為CFRP油底殼鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)的約束條件。

圖2 金屬油底殼的約束位置和加載位置示意圖Fig.2 Schematic diagram of restraint positions and loading positions of metal oil pan

2 CFRP油底殼制造分析與設(shè)計(jì)

油底殼作為殼體類(lèi)零件，應(yīng)具備一定的承載能力，其材料需具有良好的綜合強(qiáng)度性能、耐溫性以及耐腐蝕性。環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料具有彈性模量較高、纖維方向抗拉壓強(qiáng)度高以及耐高溫的特點(diǎn)，這為油底殼材料的替代提供了條件［15］。本文采用環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料T300/5208來(lái)設(shè)計(jì)CFRP油底殼，該材料的力學(xué)性能參數(shù)如表2所示［16］。CFRP的性能與其制造工藝的關(guān)系密切，因此，研究分析CFRP零件制造過(guò)程是獲取高性能產(chǎn)品必不可少的步驟。

為實(shí)現(xiàn)CFRP油底殼的成型制造，除根據(jù)原金屬油底殼進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)外，還需要對(duì)其鋪設(shè)過(guò)程進(jìn)行分析，若存在無(wú)法鋪設(shè)的情況，則需進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。采用Fibersim軟件對(duì)CFRP油底殼的鋪覆方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，同時(shí)觀察鋪層形狀、纖維方向以及鋪覆效果，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題并采取相應(yīng)的優(yōu)化措施。

圖3 內(nèi)壓工況下金屬油底殼的應(yīng)力和位移分布Fig.3 Distribution of stress and displacement of metal oil pan under internal pressure condition

圖4 金屬油底殼的約束模態(tài)振型Fig.4 Constrained mode shape of metal oil pan

考慮到復(fù)合材料的匹配性和制造成本等因素，結(jié)合油底殼的結(jié)構(gòu)和受力特點(diǎn)，為滿(mǎn)足替代要求，CFRP油底殼的基本尺寸仍采用原金屬油底殼的尺寸。根據(jù)CFRP的鋪覆要求，需對(duì)油底殼的結(jié)構(gòu)進(jìn)行以下改進(jìn)：1）由于油底殼外形曲率大及彎折嚴(yán)重，為保證良好的鋪覆效果，對(duì)整個(gè)鋪覆區(qū)域進(jìn)行分割，其貼膜面如圖5所示；2）分割后，為保證結(jié)構(gòu)的完整性和外形的平整性，選擇對(duì)接的拼接方式，同時(shí)采用補(bǔ)強(qiáng)的方式彌補(bǔ)纖維在對(duì)接處可能出現(xiàn)的缺陷；3）原金屬油底殼翻邊處的螺栓孔數(shù)量較多，考慮到開(kāi)孔會(huì)增大制造難度和提高成本，選擇制件后開(kāi)孔；4）放油孔的直徑相對(duì)較大，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，減小放油孔的直徑并對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以避免開(kāi)孔周?chē)鷱?qiáng)度下降。圖5所示為CFRP油底殼鋪覆工藝可行性分析結(jié)果，從圖中可以看出，CFRP油底殼的整體鋪覆效果理想，僅在拐角處出現(xiàn)少量纖維褶皺。

表2 環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料T300/5208的力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical performance parameters of epoxy based carbon fiber composite T300/5208

圖5 CFRP油底殼鋪覆工藝可行性分析結(jié)果Fig.5 Feasibility analysis results of covering process of CFRP oil pan

3 CFRP油底殼鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

以復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能分析為基礎(chǔ)，獲取CFRP油底殼初始模型后，以等剛度原理為準(zhǔn)則，設(shè)置殼體模型的厚度。經(jīng)分析，該模型滿(mǎn)足油底殼內(nèi)外壓強(qiáng)度與約束模態(tài)的基本要求。為獲取滿(mǎn)足性能最優(yōu)條件的鋪層結(jié)構(gòu)，采用Hyperworks軟件中的Optistruct模塊，按照逐層鋪設(shè)思路，對(duì)CFRP油底殼的鋪層進(jìn)行三步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1 自由尺寸優(yōu)化

基于CFRP的材料特性和制造工藝要求設(shè)計(jì)的CFRP油底殼滿(mǎn)足基本設(shè)計(jì)目標(biāo)，但仍需對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化。油底殼是薄殼結(jié)構(gòu)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)和外部零部件起支承作用，并有一定的機(jī)油承載要求，這就需要油底殼具備一定的強(qiáng)度和剛度。因此，在自由尺寸優(yōu)化階段，以提高油底殼剛度為優(yōu)化目標(biāo)，尋找每一層鋪層的最佳鋪設(shè)邊界，以確定CFRP油底殼的材料分布［17］。

在自由尺寸優(yōu)化中，設(shè)計(jì)變量為CFRP油底殼各角度鋪層的厚度，優(yōu)化目標(biāo)為CFRP油底殼的總?cè)岫茸钚?，通過(guò)約束函數(shù)控制每一鋪層的厚度以及油底殼總厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)工藝性約束。為獲得CFRP油底殼各角度鋪層的最佳厚度，建立其尺寸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，表示為：

式中：C(x)為CFRP油底殼的總?cè)岫龋籚為體積分?jǐn)?shù)；Ts為CFRP油底殼的總厚度。

自由尺寸優(yōu)化后CFRP油底殼各角度鋪層的厚度分布如圖6所示。由圖6可知，0°與90°鋪層的厚度較小，而±45°鋪層的厚度相對(duì)較大，這是因?yàn)閮?yōu)化目標(biāo)為油底殼總?cè)岫茸钚?，即剛度最大，而?5°鋪層主要承受剪力，抗剪性能最好，該角度鋪層所占比例較高可使油底殼的剛度較大。

3.2 尺寸優(yōu)化

通過(guò)自由尺寸優(yōu)化能較好地確定CFRP油底殼的材料分布，但在實(shí)際生產(chǎn)制造過(guò)程中，鋪設(shè)邊界的厚度受到制造工藝的約束，同時(shí)影響著CFRP油底殼的力學(xué)性能。因此，采用尺寸優(yōu)化來(lái)分析CFRP油底殼性能與鋪層厚度的關(guān)系，以單層鋪層的厚度為設(shè)計(jì)變量，對(duì)鋪層的質(zhì)量、材料屬性等進(jìn)行優(yōu)化分析，以確定最佳的鋪設(shè)邊界厚度。

尺寸優(yōu)化屬于詳細(xì)設(shè)計(jì)階段［18］，該階段優(yōu)化目標(biāo)與約束條件的確定尤為重要。本文選取的優(yōu)化目標(biāo)為CFRP油底殼質(zhì)量最小，約束條件以性能約束為主，制造約束為輔：CFRP油底殼的性能約束除剛度約束外，還有強(qiáng)度、穩(wěn)定性以及模態(tài)頻率等約束，原則上以原金屬油底殼的靜、動(dòng)力學(xué)分析結(jié)果為參考基準(zhǔn)，優(yōu)化后CFRP油底殼的性能不能劣于原金屬油底殼。

原金屬油底殼在工作中除承受發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)和外部沖擊外，還需承受一定的內(nèi)壓作用。由不同工況下原金屬油底殼的性能分析結(jié)果可知，在0.035 MPa內(nèi)壓作用下，金屬油底殼的最大von-Mises等效應(yīng)力為140.8 MPa，最大位移為0.54 mm。結(jié)合發(fā)動(dòng)機(jī)整機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果，調(diào)整CFRP油底殼的固有頻率，通過(guò)計(jì)算發(fā)現(xiàn)CFRP油底殼一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率為800 Hz左右，避開(kāi)了能量集中的頻率段（200 Hz附近和400～600 Hz）。因此，綜合上述設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)以及約束條件，建立CFRP油底殼尺寸優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，表示為：

圖6 自由尺寸優(yōu)化后CFRP油底殼各角度鋪層的厚度分布Fig.6 Thickness distribution of CFRP oil pan layer at various angles after free size optimization

式中：m(x)為CFRP油底殼的質(zhì)量；f為CFRP油底殼一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率；f0為原金屬油底殼一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率；ε為各角度鋪層的最大拉壓應(yīng)變；ε0為各角度鋪層的極限拉壓應(yīng)變，ε0=3.5×10-3；σ為內(nèi)壓工況下CFRP油底殼的最大von-Mises等效應(yīng)力；σ0為內(nèi)壓工況下原金屬油底殼的最大von-Mises等效應(yīng)力；Tθ為各角度鋪層的厚度。

圖7為尺寸優(yōu)化后CFRP油底殼各角度鋪層的厚度分布。由圖可知，尺寸優(yōu)化后CFRP油底殼各角度鋪層的厚度明顯增大，其中-45°與45°鋪層的厚度變化明顯，分別達(dá)到了1.8 mm和1.3 mm。

圖7 尺寸優(yōu)化后CFRP油底殼各角度鋪層的厚度分布Fig.7 Thickness distribution of CFRP oil pan layer at various angles after size optimization

3.3 鋪層順序優(yōu)化

復(fù)合材料零件的力學(xué)性能與其鋪層順序關(guān)系密切，復(fù)合材料零件的力學(xué)性能會(huì)隨著鋪層順序的調(diào)整而改變。針對(duì)這一特性，在尺寸優(yōu)化后，對(duì)CFRP油底殼進(jìn)行鋪層順序優(yōu)化。在不增大CFRP油底殼質(zhì)量的前提下，以滿(mǎn)足CFRP鋪層規(guī)則為基礎(chǔ)，通過(guò)優(yōu)化鋪層順序來(lái)提升CFRP油底殼的力學(xué)性能，該優(yōu)化階段的優(yōu)化目標(biāo)仍為CFRP油底殼質(zhì)量最小。從制造工藝與性能要求出發(fā)，同一角度的鋪層數(shù)量應(yīng)不多于4層［6］，即最多4層角度相同的鋪層相鄰；為提升鋪層的壓縮和抗沖擊性能，外層使用45°鋪層與-45°鋪層。在鋪層順序優(yōu)化過(guò)程中，根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標(biāo)對(duì)鋪層順序進(jìn)行調(diào)整，直至滿(mǎn)足鋪覆設(shè)計(jì)條件。三步優(yōu)化后CFRP油底殼的鋪層數(shù)量為228層，其中貼膜面A和貼膜面C的前24層鋪層及貼膜面B的全部鋪層的鋪層順序優(yōu)化結(jié)果如圖8所示。

3.4 基于制造工藝的鋪層結(jié)構(gòu)調(diào)整

在鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，為使CFRP油底殼在低成本的前提下實(shí)現(xiàn)規(guī)?；a(chǎn)，在鋪覆前需解決CFRP的變形、偏差和纖維屈曲問(wèn)題，從而縮短生產(chǎn)周期以提高產(chǎn)量。因此，經(jīng)三步優(yōu)化后，為保證CFRP油底殼實(shí)際生產(chǎn)制造的可行性，借助FiberSim軟件對(duì)其鋪覆方案進(jìn)行制造工藝仿真分析與調(diào)整：在薄弱區(qū)域增加鋪層以提高CFRP油底殼的強(qiáng)度與使用壽命，在局部鋪層厚度較大區(qū)域適當(dāng)減小鋪層厚度，以減小CFRP油底殼質(zhì)量，兼顧制造工藝可行性與成本要求。圖9為CFRP油底殼-45°鋪層的結(jié)構(gòu)調(diào)整過(guò)程，左側(cè)為三步優(yōu)化后自動(dòng)生成的鋪層，右側(cè)為手動(dòng)裁剪后的鋪層。檢查CFRP油底殼所有鋪層并進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整。經(jīng)仿真驗(yàn)證，鋪層結(jié)構(gòu)調(diào)整后CFRP油底殼的鋪覆效果較好，其質(zhì)量雖由0.388 kg增大至0.420 kg，但對(duì)力學(xué)性能的影響較小。

在確保鋪覆方案的可行性后，在不同工況下對(duì)CFRP油底殼進(jìn)行靜、動(dòng)力學(xué)分析，并與金屬油底殼的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表3所示。從表3中可以看出，在0.035 MPa內(nèi)壓作用下，CFRP油底殼的最大von-Mises等效應(yīng)力為48.6 MPa?；贖ill失效準(zhǔn)則可知，CFRP的失效指數(shù)小于1，滿(mǎn)足要求。CFRP油底殼的最大位移為0.16 mm。與金屬油底殼相比，CFRP油底殼的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和一階彎曲模態(tài)的固有頻率都有很大程度的提高：一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的固有頻率由329.33 Hz提高至1 372.8 Hz；一階彎曲模態(tài)的固有頻率由432.30 Hz提高至1 479.45 Hz，有效避免了油底殼因固有頻率與激振力頻率重合而產(chǎn)生共振。油底殼質(zhì)量由原來(lái)的0.97 kg減小為0.42 kg，減小了56.7%，輕量化效果明顯。

綜上可知，通過(guò)FiberSim軟件建立CFRP油底殼的鋪層結(jié)構(gòu)，經(jīng)Hyperworks軟件優(yōu)化分析后，再由FiberSim軟件處理并生成加工數(shù)據(jù)，即可將模擬量轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字量傳遞制造信息，體現(xiàn)了并行工程理念。通過(guò)仿真分析可知，CFRP油底殼既符合性能設(shè)計(jì)要求，又滿(mǎn)足制造約束條件，具備制造可行性，且輕量化效果明顯。

圖8 CFRP油底殼的鋪層順序優(yōu)化結(jié)果Fig.8 Layer sequence optimization results of CFRP oil pan

圖9 CFRP油底殼-45°鋪層結(jié)構(gòu)調(diào)整Fig.9 Structure adjustment of-45°layer of CFRP oil pan

表3 CFRP油底殼與金屬油底殼的性能對(duì)比Table 3 Performance comparison ofCFRP oilpan and metal oil pan

4 結(jié) 論

本文以某汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)油底殼為研究對(duì)象，以輕量化設(shè)計(jì)為目標(biāo)，提出CFRP油底殼的結(jié)構(gòu)與制造工藝并行優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，以實(shí)現(xiàn)其性能與制造工藝的多目標(biāo)要求。得到的結(jié)論如下：

1）從制造的角度出發(fā)，結(jié)合油底殼的基本設(shè)計(jì)要求與制造工藝，對(duì)CFRP油底殼進(jìn)行鋪層設(shè)計(jì)，同時(shí)將制造工藝約束與基本設(shè)計(jì)要求貫穿于整個(gè)CFRP油底殼的鋪層結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程，既克服了傳統(tǒng)串行設(shè)計(jì)的局限性，又較好地彌補(bǔ)了僅使用理論算法控制油底殼剛度與質(zhì)量的缺陷。

2）CFRP具有高強(qiáng)度和高彈性模量，通過(guò)鋪層厚度、鋪層方向與鋪層順序的合理配置，使得CFRP油底殼具有優(yōu)于金屬油底殼的力學(xué)性能；通過(guò)優(yōu)化，CFRP油底殼的質(zhì)量比金屬油底殼減小了56.7%。