作品包括：

Word设计说明书1份，约28000字

任务书一份

开题报告一份

外文翻译一份

CAD版本图纸，共3张

摘要

 当今社会现代工业的高速发展，给人们带来许多便利的同时也所带来了环境的污染、能源的短缺和资源的枯竭等方面的问题。为了保护人类所居住的环境，保障能源的供给，各国的政府不惜投入大量的人力、物力和财力去寻求解决这些问题的办法。而汽车作为现代工业文明的代表,对社会的影响十分巨大。因此对汽车排放的控制以及新能源的开发与利用已经成为了备受各国的政府以及各大汽车制造公司瞩目的焦点之一。汽车轻量化在众多的汽车行业的节能减排途径中一直是最有效的方式之一，而通过对新型材料的应用来推动汽车轻量化设计是各大汽车制造公司一直着重研究的目标。

碳纤维复合材料（CFRP）是由作为增强材料的碳纤维和作为基体材料的树脂组合而成的一种先进微晶石墨材料。由于其具有低密度和优越的力学性能，碳纤维复合材料已经成为了汽车轻量化研究中被赋予重要意义的一种最具潜力的材料。翼子板为汽车车身覆盖件中重要部件之一，因其结构较为简单，而且所受的载荷工况，所需要的生产加工工艺和其功能特点等都非常具有广泛的代表性，常作为研究时的首选对象。本文采用翼子板这一车身覆盖件作为载体，为探究碳纤维复合材料这一最具潜力的材料对于汽车轻量化工作的意义，主要开展了以下研究工作：

    （1）本文首先对复合材料进行了简介。然后阐述了复合材料的力学特性及其相关的理论基础，包括单向复合材料的力学性能和层合板复合材料的力学性能，为后续的建模、分析以及优化等一系列过程奠定了基础。最终决定以碳纤维复合材料层合板形式应用于汽车翼子板结构上。

    （2）本文介绍了有限元方法及其相关分析软件。通过获得的汽车翼子板有限元模型，根据这一汽车覆盖件实际应用中所受载荷等设计了相应的工况，通过Altair公司的HyperWorks软件组对高强度钢汽车翼子板结构进行了包括应力-应变分析以及模态分析的力学性能分析模型。通过分析高强度钢翼子板结构的有限元结果，运用等代法确定了T300/5208碳纤维复合材料的最初铺层方案，完成相关建模及分析后将高强度钢翼子板与碳纤维翼子板两组分析结果进行对比，得出了碳纤维复合材料在汽车轻量化设计中的优越性与潜力。

    （3）本文在优化方面，对比分析了采用不同铺层厚度和不同中间层厚度的汽车翼子板模型的静态和动态特性，得到了汽车翼子板的力学性能参数随不同铺层厚度和中间层厚度的变化规律。在所得到的对比分析规律的基础上，对碳纤维复合材料翼子板进行基于Optistruct的优化设计后得到的最佳的碳纤维汽车翼子板的模型，并且对比分析优化后的碳纤维汽车翼子板轻量化效果。

本文通过一系列的理论介绍、模型建立、工况分析以及优化设计，阐明了碳纤维复合材料相对于传统金属材料的优越性，得到了不同材料以及不同设计方案的翼子板的力学性能，最终通过对比发现碳纤维复合材料的合理利用可以在完全保证汽车性能的情况下极大程度的减少重量从而达到汽车轻量化的目的。通过上述的分析与优化设计，我们可知这些结果在汽车轻量化的设计和制造中起到了非常重要的借鉴和引导作用。本文作为工程应用性的课题，对碳纤维材料在汽车轻量化进程中的应用与发展有着一定的现实意义与推进作用。

    关键词：有限元方法；碳纤维复合材料；高强度钢；汽车翼子板；优化设计。

目录

摘要.......................................................................Ⅰ

Abstract...................................................................Ⅲ

目录.......................................................................Ⅰ

第一章 绪论.................................................................1

    1.1引言.................................................................1

1.2碳纤维汽车翼子板结构优化国外研究现状..................................1

    1.2.1碳纤维汽车翼子板结构优化国外研究现状............................1

        1.2.2碳纤维汽车翼子板结构优化国内研究现状............................3

    1.3本次课题的目的及意义..................................................3

        1.3.1碳纤维汽车翼子板的结构优化的目的................................3

        1.3.2碳纤维汽车翼子板的结构优化的意义................................3

    1.4本次课题的方法和内容..................................................4

        1.4.1本次课题的方法..................................................4

        1.4.2本次课题的内容..................................................4

    1.5本章小结..............................................................5

第二章 复合材料的力学基础...................................................6

    2.1复合材料的简介........................................................6

    2.2单向复合材料的的力学性能..............................................6

        2.2.1单向复合材料正轴和偏轴的应力与应变关系..........................7

    2.3正交各向异性复合材料力学性能..........................................8

    2.3.1正交各向异性材料的应力与应变关系................................8

    2.4复合材料层合板的力学性能............................................10

        2.4.1层合板的应力应变关系...........................................11

    2.5本章小结.............................................................13

第三章 基于hyperworks的钢制翼子板有限元分析................................14

    3.1hyperworks软件介绍...................................................14

    3.2有限元理论概述.......................................................15

    3.3建立有限元模型.......................................................17

        3.3.1模型的几何清理.................................................17

        3.3.2有限元网格的划分...............................................18

        3.3.3钢制翼子板材料选用.............................................19

    3.4静力分析.............................................................19

        3.4.1静力学分析简介.................................................19

        3.4.2静力学分析前处理...............................................20

        3.4.3静力学分析结果.................................................20

    3.5模态分析.............................................................23

    3.5.1模态分析简介...................................................24

        3.5.2有限元模态分析理论.............................................24

        3.5.3汽车翼子板模态分析.............................................26

    3.6本章小结.............................................................27

第四章 基于hyperworks的碳纤维翼子板有限元分析..............................28

4.1碳纤维复合材料的优点.................................................28

4.2复合材料选用及层合板设计.............................................28

    4.2.1复合材料选用...................................................28

    4.2.2复合材料层合板设计.............................................29

4.3复合材料翼子板有限元模型建立.........................................30

4.4静力分析.............................................................31

4.5模态分析.............................................................34

4.6本章小结.............................................................36

第五章 对比分析与优化分析..................................................37

    5.1两种材料翼子板对比分析...............................................37

        5.1.1两种材料翼子板刚度对比分析.....................................37

        5.1.2两种材料翼子板自由模态的对比分析...............................37

    5.2碳纤维汽车翼子板的优化分析...........................................38

        5.2.1碳纤维汽车翼子板铺层厚度优化分析...............................38

        5.2.2碳纤维汽车翼子板铺层顺序优化分析...............................41

    5.3本章小结.............................................................43

第六章 汽车翼子板的结构优化................................................45

    6.1传统优化设计方法.....................................................45

    6.2 基于复合材料的优化设计方法..........................................46

    6.3碳纤维汽车翼子板优化设计.............................................48

    6.4本章小结.............................................................57

第七章 总结与展望..........................................................58

    7.1总结.................................................................58

7.2今后工作的展望.......................................................59

参考文献...................................................................61

致谢.......................................................................64

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