碳纤维发动机罩轻量化铺层设计

王运辉，罗茂康，莫贵文

（湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司，广西 柳州 545000）

引言

碳纤维复合材料的力学性能较好，强度比普通钢大5～7倍左右、模量比普通钢大3～4 倍左右，具有抗冲击性好、耐腐蚀性强、密度低等优点。汽车轻量化需求使得碳纤维复合材料在汽车领域的应用日趋广泛。

本文以某车型的发动机罩为研究对象，提出选用碳纤维复合材料替代传统钢材的方案，通过Isight 多学科优化软件集成发罩多个性能对碳纤维材料铺层方向及顺序进行DOE试验设计，确定了最优铺层方案，而且各项性能指标均远远优于钢材，同时实现了减重44%的目标。这不仅验证了碳纤维材料替换的可行性，也为后续轻量化材料的推广和应用提供了参考方向。

1 有限元模型建立

在三维制图软件UG 中建立CAD 模型，将模型导入Hypermesh 前处理软件进行有限元网格划分，发罩内外板采用壳体单元，网格大小8 mm，铰链及锁扣采用六面体实体单元，并对各部件赋予材料与属性，如图1 所示。

图1 发罩有限元模型及法向

发罩内外板采用碳纤维复合材料构成，所选材料为CFP-UD200，具体材料参数如表1 所示。为达到减重44%的目标，碳纤维铺层数量为9 层，每层0.18 mm，如表2 所示。

表1 CFP-UD200 材料参数

表2 铺层层数选择

铺层方向包括0 °、45 °、90 °、－45 °，可在HyperLaminate界面进行铺层参数设置，如图2 所示。

图2 碳纤维铺层参数设计

2 Isight 搭建DOE 流程

2.1 全因子DOE 实验设计

DOE 实验设计是一种安排实验和分析实验数据的数理统计方法。全因子实验设计是指所有因子所有水平的所有组合都至少进行一次实验的设计，它的优点是可以估计出所有主效应和所有各阶交互效应[1]。

本文通过Isight 集成发罩多种性能分析，以碳纤维各铺层角度作为变量，多种性能作为目标，进行全因子DOE 试验设计。碳纤维铺层层数为9，遵循对称铺层原则[2]，变量数为5，取值为0 °、90 °、±45 °，因此DOE 矩阵大小1 024。设计流程及Isight 平台搭建如图3、图4 所示。

图3 全因子DOE 实验设计流程

图4 Isight 平台搭建

2.2 DOE 实验设计结果

Isight 软件被广泛应用于数值或结构参数的分析与优化领域，其任务控制平台的角色是通过向所集成的软件下达行动命令来实现仿真任务的自动化处理[3]。

Isight 自动调用求解器对DOE 矩阵所有模型进行分析，得到最优碳纤维铺层方案如表3 所示，相比传统钢材方案，所有性能均有较大提高，同时发罩内外板总重量减轻44.9%，如表4 所示。

表3 最优碳纤维铺层方案

表4 分析结果

性能分布图：DOE 所有方案发罩扭转刚度最小为107 Nm/deg，最大为212 Nm/deg，相差105 Nm/deg，其余分布于107～212 Nm/deg，不同铺层方案性能差异较大，验证了碳纤维复合材料的各向异性，如图5 所示。

图5 性能分布

主效应图：因子对响应的主效应是因子在某个水平时所有试验中响应的平均值。用每个水平和其他因子所有可能的组合对结果影响的平均值所画的图就是主效应图，如图6 所示。

图6 主效应

Pareto 图：Pareto 图反映样本拟合后模型中所有项对每个响应的贡献程度百分比，蓝色的条形表示正效应，红色则表示反效应，如图7 所示。

图7 Pareto

交互效应图：如果两条线相互平行，表示无交互作用；如果两条线不平行或交叉，则表示交互作用。不平行的程度反映了交互效应的强弱，如图8 所示。

图8 交互效应

3 结语

文章以某MPV 的发动机罩为研究对象，通过Isight 多学科优化软件集成发罩多个性能对碳纤维材料铺层方向及顺序进行全因子DOE 试验设计，确定了最优铺层方案，而且各项性能指标均远远优于钢材，同时实现了减重44%的目标。从仿真角度验证了碳纤维材料替换的可行性，同时验证了碳纤维材料的各向异性，该优化方案是否可行，需要后期使用台架或路试试验进行验证。