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复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

印立 徐中明 马媛媛 张志飞

印立,徐中明,马媛媛, 等. 复合材料控制臂的多区域铺层结构优化[J]. 机械科学与技术,2021,40(2):305-312 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200053
引用本文: 印立,徐中明,马媛媛, 等. 复合材料控制臂的多区域铺层结构优化[J]. 机械科学与技术,2021,40(2):305-312 doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200053
YIN Li, XU Zhongming, MA Yuanyuan, ZHANG Zhifei. Optimization of Multi-area Layup Structure for Composite Control Arm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(2): 305-312. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200053
Citation: YIN Li, XU Zhongming, MA Yuanyuan, ZHANG Zhifei. Optimization of Multi-area Layup Structure for Composite Control Arm[J]. Mechanical Science and Technology for Aerospace Engineering, 2021, 40(2): 305-312. doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200053

复合材料控制臂的多区域铺层结构优化

doi: 10.13433/j.cnki.1003-8728.20200053
基金项目: 重庆市基础科学与前沿技术研究项目(CSTC2015jcyjBX0075)
详细信息
    作者简介:

    印立(1995−),硕士研究生,研究方向为车辆结构分析,yinl@cqu.edu.cn

    通讯作者:

    徐中明,教授,博士生导师,xuzm@cqu.edu.cn

  • 中图分类号: TB332

Optimization of Multi-area Layup Structure for Composite Control Arm

  • 摘要: 使用碳纤维复合材料设计某乘用车悬架控制臂,对4个区域的铺层结构进行优化设计。首先以各角度铺层厚度为设计变量对控制臂模态频率、质量和各工况应变能进行优化;然后以前三阶模态频率为目标,弯曲刚度参数作为设计变量优化铺层顺序。针对设计变量间存在的工艺约束条件使样本空间不规则且优化变量较多的问题,利用聚类分析进行试验设计确定训练近似模型需要的样本点,并用高斯过程回归方法建立近似模型以减少计算时间,验证模型R2在0.9以上。两步优化后,对比复合材料初始铺层各性能指标均有不同程度改善,复合材料质量减少11.4%;对比原钢制控制臂,各性能均满足要求,质量降低37.1%。
  • 图  1  原钢质控制臂模型

    图  2  复合材料控制臂模型

    图  3  AB区域样本点分布

    图  4  厚度优化计算值与预测值

    图  5  Pareto前沿

    图  6  顺序优化近似模型计算值与预测值

    表  1  碳纤维复合材料力学性能

    材料性能数值材料性能数值
    0拉伸模量E1/GPa13890°拉伸模量E2/GPa11
    0拉伸强度XT/MPa150090°拉伸强度YT/MPa27
    0压缩强度Xc/MPa90090°压缩强度Yc/MPa200
    剪切模量G12 /GPa5.5剪切强度S/MPa80
    主泊松比ν120.28次泊松比ν230.4
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    表  2  复合材料控制臂初始铺层计算结果

    参数响应结果要求备注
    模态频率/Hz 1阶 409.3 >400 满足要求
    2阶 496.5
    3阶 597.4
    单轮升起 应变能/J 0.1231
    安全系数 5.435 >1 满足要求
    右转向 应变能/J 0.3212
    安全系数 3.226 >1 满足要求
    前进制动 应变能/J 0.3451
    安全系数 4.292 >1 满足要求
    后退单后轮制动 应变能/J 0.3790
    安全系数 3.559 >1 满足要求
    前进单前轮制动 应变能/J 0.1427
    安全系数 5.848 >1 满足要求
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    表  3  厚度优化近似模型误差分析

    响应R2最大误差/%
    质量 0.999 4 0.22
    1阶模态 0.922 0 5.15
    应变能 0.956 9 5.47
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    表  4  铺层厚度优化结果 mm

    区域045°90°−45°
    AB 0.4 0.5 1.1 0.4
    AC 0.3 0.5 1.1 0.5
    BC 0.3 0.7 0.9 0.6
    P 0.5 0.3 0.5 0.7
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    表  5  铺层厚度优化前后对比

    铺层1阶频
    率/Hz
    单轮升起/J右转弯/J前进制动/J后退单后轮制动/J前进单前轮制动/J总应变能/J复合材料质量/kg
    初始409.30.1230.3210.3450.3790.1431.3110.81
    优化后预测值424.71.1370.72
    计算值427.30.1010.2610.3190.3750.1371.1930.72
    误差/%0.064.690
    变化比/%4.4−17.9−18.7−7.5−1.1−4.2−9.0−11.4
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    表  6  样本点响应变化范围

    响应变化范围
    1阶模态频率/Hz31.63
    2阶模态频率/Hz61.30
    3阶模态频率/Hz21.31
    总应变能/J0.019 7
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    表  7  顺序优化近似模型验证结果

    1阶2阶3阶
    R2 0.974 5 0.990 6 0.941 6
    最大误差/% 0.54 0.43 0.25
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    表  8  优化后铺层顺序

    区域$\xi^{D}_{1} $$\xi^{D}_{2} $$\xi^{D}_{3} $铺层结构
    AB−0.031−0.5120.173[45/(±45)2/452/−452/(90/0)2/903/0/904/0/ 902]s
    AC−0.192−0.6000.077[452/−453/453/90/−452/904/(0/903)2/0]s
    BC−0.0030.0350.012[0/−45/90/0/−45/452/90/0/452/90/−45/902/45/90/−45/90/−45/±45/90/45/90]s
    P0.5620.188−0.138[04/45/0/−453/45/(−452/90)2/902/45/90]s
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    表  9  铺层顺序优化前后对比 Hz

    1阶2阶3阶
    优化前 427.3 526.2 607.5
    优化后 437.7 547.0 620.1
    变化量 10.4 20.8 12.5
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    表  10  SAPH440与复合材料控制臂对比

    参数响应SAPH440复合材料变化比/%
    模态频率/Hz 1阶 560.6 437.7 −21.9
    2阶 735.1 547.0 −25.5
    3阶 814.7 620.1 −23.9
    单轮升起 应变能/J 0.977 0.101 3.5
    安全系数 4.59 7.69 67.5
    右转弯 应变能/J 0.216 0.261 20.5
    安全系数 2.78 5.00 79.9
    前进制动 应变能/J 1.094 0.319 −70.8
    安全系数 1.82 5.88 223.1
    后退单后轮制动 应变能/J 1.757 0.375 −78.7
    安全系数 1.38 3.13 126.8
    前进单前轮制动 应变能/J 0.572 0.137 −76.0
    安全系数 2.45 5.26 114.7
    质量/kg 1.97 1.24 −37.1
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  • 收稿日期:  2019-10-12
  • 刊出日期:  2021-02-02

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