王運(yùn)輝，羅茂康，莫貴文

（湖南湖大艾盛汽車技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司，廣西 柳州 545000）

引言

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能較好，強(qiáng)度比普通鋼大5～7倍左右、模量比普通鋼大3～4 倍左右，具有抗沖擊性好、耐腐蝕性強(qiáng)、密度低等優(yōu)點(diǎn)。汽車輕量化需求使得碳纖維復(fù)合材料在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛。

本文以某車型的發(fā)動(dòng)機(jī)罩為研究對(duì)象，提出選用碳纖維復(fù)合材料替代傳統(tǒng)鋼材的方案，通過(guò)Isight 多學(xué)科優(yōu)化軟件集成發(fā)罩多個(gè)性能對(duì)碳纖維材料鋪層方向及順序進(jìn)行DOE試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了最優(yōu)鋪層方案，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了減重44%的目標(biāo)。這不僅驗(yàn)證了碳纖維材料替換的可行性，也為后續(xù)輕量化材料的推廣和應(yīng)用提供了參考方向。

1 有限元模型建立

在三維制圖軟件UG 中建立CAD 模型，將模型導(dǎo)入Hypermesh 前處理軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，發(fā)罩內(nèi)外板采用殼體單元，網(wǎng)格大小8 mm，鉸鏈及鎖扣采用六面體實(shí)體單元，并對(duì)各部件賦予材料與屬性，如圖1 所示。

圖1 發(fā)罩有限元模型及法向

發(fā)罩內(nèi)外板采用碳纖維復(fù)合材料構(gòu)成，所選材料為CFP-UD200，具體材料參數(shù)如表1 所示。為達(dá)到減重44%的目標(biāo)，碳纖維鋪層數(shù)量為9 層，每層0.18 mm，如表2 所示。

表1 CFP-UD200 材料參數(shù)

表2 鋪層層數(shù)選擇

鋪層方向包括0 °、45 °、90 °、－45 °，可在HyperLaminate界面進(jìn)行鋪層參數(shù)設(shè)置，如圖2 所示。

圖2 碳纖維鋪層參數(shù)設(shè)計(jì)

2 Isight 搭建DOE 流程

2.1 全因子DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是一種安排實(shí)驗(yàn)和分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法。全因子實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是指所有因子所有水平的所有組合都至少進(jìn)行一次實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)，它的優(yōu)點(diǎn)是可以估計(jì)出所有主效應(yīng)和所有各階交互效應(yīng)[1]。

本文通過(guò)Isight 集成發(fā)罩多種性能分析，以碳纖維各鋪層角度作為變量，多種性能作為目標(biāo)，進(jìn)行全因子DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)。碳纖維鋪層層數(shù)為9，遵循對(duì)稱鋪層原則[2]，變量數(shù)為5，取值為0 °、90 °、±45 °，因此DOE 矩陣大小1 024。設(shè)計(jì)流程及Isight 平臺(tái)搭建如圖3、圖4 所示。

圖3 全因子DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)流程

圖4 Isight 平臺(tái)搭建

2.2 DOE 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

Isight 軟件被廣泛應(yīng)用于數(shù)值或結(jié)構(gòu)參數(shù)的分析與優(yōu)化領(lǐng)域，其任務(wù)控制平臺(tái)的角色是通過(guò)向所集成的軟件下達(dá)行動(dòng)命令來(lái)實(shí)現(xiàn)仿真任務(wù)的自動(dòng)化處理[3]。

Isight 自動(dòng)調(diào)用求解器對(duì)DOE 矩陣所有模型進(jìn)行分析，得到最優(yōu)碳纖維鋪層方案如表3 所示，相比傳統(tǒng)鋼材方案，所有性能均有較大提高，同時(shí)發(fā)罩內(nèi)外板總重量減輕44.9%，如表4 所示。

表3 最優(yōu)碳纖維鋪層方案

表4 分析結(jié)果

性能分布圖：DOE 所有方案發(fā)罩扭轉(zhuǎn)剛度最小為107 Nm/deg，最大為212 Nm/deg，相差105 Nm/deg，其余分布于107～212 Nm/deg，不同鋪層方案性能差異較大，驗(yàn)證了碳纖維復(fù)合材料的各向異性，如圖5 所示。

圖5 性能分布

主效應(yīng)圖：因子對(duì)響應(yīng)的主效應(yīng)是因子在某個(gè)水平時(shí)所有試驗(yàn)中響應(yīng)的平均值。用每個(gè)水平和其他因子所有可能的組合對(duì)結(jié)果影響的平均值所畫(huà)的圖就是主效應(yīng)圖，如圖6 所示。

圖6 主效應(yīng)

Pareto 圖：Pareto 圖反映樣本擬合后模型中所有項(xiàng)對(duì)每個(gè)響應(yīng)的貢獻(xiàn)程度百分比，藍(lán)色的條形表示正效應(yīng)，紅色則表示反效應(yīng)，如圖7 所示。

圖7 Pareto

交互效應(yīng)圖：如果兩條線相互平行，表示無(wú)交互作用；如果兩條線不平行或交叉，則表示交互作用。不平行的程度反映了交互效應(yīng)的強(qiáng)弱，如圖8 所示。

圖8 交互效應(yīng)

3 結(jié)語(yǔ)

文章以某MPV 的發(fā)動(dòng)機(jī)罩為研究對(duì)象，通過(guò)Isight 多學(xué)科優(yōu)化軟件集成發(fā)罩多個(gè)性能對(duì)碳纖維材料鋪層方向及順序進(jìn)行全因子DOE 試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定了最優(yōu)鋪層方案，而且各項(xiàng)性能指標(biāo)均遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于鋼材，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了減重44%的目標(biāo)。從仿真角度驗(yàn)證了碳纖維材料替換的可行性，同時(shí)驗(yàn)證了碳纖維材料的各向異性，該優(yōu)化方案是否可行，需要后期使用臺(tái)架或路試試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。