碳纖維發動機罩輕量化鋪層設計

王運輝，羅茂康，莫貴文

（湖南湖大艾盛汽車技術開發有限公司，廣西 柳州 545000）

引言

碳纖維復合材料的力學性能較好，強度比普通鋼大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、密度低等優點。汽車輕量化需求使得碳纖維復合材料在汽車領域的應用日趨廣泛。

本文以某車型的發動機罩為研究對象，提出選用碳纖維復合材料替代傳統鋼材的方案，通過Isight 多學科優化軟件集成發罩多個性能對碳纖維材料鋪層方向及順序進行DOE試驗設計，確定了最優鋪層方案，而且各項性能指標均遠遠優于鋼材，同時實現了減重44%的目標。這不僅驗證了碳纖維材料替換的可行性，也為后續輕量化材料的推廣和應用提供了參考方向。

1 有限元模型建立

在三維制圖軟件UG 中建立CAD 模型，將模型導入Hypermesh 前處理軟件進行有限元網格劃分，發罩內外板采用殼體單元，網格大小8 mm，鉸鏈及鎖扣采用六面體實體單元，并對各部件賦予材料與屬性，如圖1 所示。

圖1 發罩有限元模型及法向

發罩內外板采用碳纖維復合材料構成，所選材料為CFP-UD200，具體材料參數如表1 所示。為達到減重44%的目標，碳纖維鋪層數量為9 層，每層0.18 mm，如表2 所示。

表1 CFP-UD200 材料參數

表2 鋪層層數選擇

鋪層方向包括0 °、45 °、90 °、－45 °，可在HyperLaminate界面進行鋪層參數設置，如圖2 所示。

圖2 碳纖維鋪層參數設計

2 Isight 搭建DOE 流程

2.1 全因子DOE 實驗設計

DOE 實驗設計是一種安排實驗和分析實驗數據的數理統計方法。全因子實驗設計是指所有因子所有水平的所有組合都至少進行一次實驗的設計，它的優點是可以估計出所有主效應和所有各階交互效應[1]。

本文通過Isight 集成發罩多種性能分析，以碳纖維各鋪層角度作為變量，多種性能作為目標，進行全因子DOE 試驗設計。碳纖維鋪層層數為9，遵循對稱鋪層原則[2]，變量數為5，取值為0 °、90 °、±45 °，因此DOE 矩陣大小1 024。設計流程及Isight 平臺搭建如圖3、圖4 所示。

圖3 全因子DOE 實驗設計流程

圖4 Isight 平臺搭建

2.2 DOE 實驗設計結果

Isight 軟件被廣泛應用于數值或結構參數的分析與優化領域，其任務控制平臺的角色是通過向所集成的軟件下達行動命令來實現仿真任務的自動化處理[3]。

Isight 自動調用求解器對DOE 矩陣所有模型進行分析，得到最優碳纖維鋪層方案如表3 所示，相比傳統鋼材方案，所有性能均有較大提高，同時發罩內外板總重量減輕44.9%，如表4 所示。

表3 最優碳纖維鋪層方案

表4 分析結果

性能分布圖：DOE 所有方案發罩扭轉剛度最小為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，驗證了碳纖維復合材料的各向異性，如圖5 所示。

圖5 性能分布

主效應圖：因子對響應的主效應是因子在某個水平時所有試驗中響應的平均值。用每個水平和其他因子所有可能的組合對結果影響的平均值所畫的圖就是主效應圖，如圖6 所示。

圖6 主效應

Pareto 圖：Pareto 圖反映樣本擬合后模型中所有項對每個響應的貢獻程度百分比，藍色的條形表示正效應，紅色則表示反效應，如圖7 所示。

圖7 Pareto

交互效應圖：如果兩條線相互平行，表示無交互作用；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的強弱，如圖8 所示。

圖8 交互效應

3 結語

文章以某MPV 的發動機罩為研究對象，通過Isight 多學科優化軟件集成發罩多個性能對碳纖維材料鋪層方向及順序進行全因子DOE 試驗設計，確定了最優鋪層方案，而且各項性能指標均遠遠優于鋼材，同時實現了減重44%的目標。從仿真角度驗證了碳纖維材料替換的可行性，同時驗證了碳纖維材料的各向異性，該優化方案是否可行，需要后期使用臺架或路試試驗進行驗證。