目前,我国在节能减排和油耗标准方面的法规要求越来越严,而同时这为电动汽车的发展带来了新的契机。针对电动汽车续航里程不足的问题,降低整车质量是目前最为可行的途径之一。鉴于碳纤维增强复合材料(CFRP)的一系列优异性能,比如轻质高强、高模量,高能量吸收能力等,同时结合恰当的结构优化技术,使其特别适用于汽车,尤其是车身覆盖件的轻量化设计。本文以汽车前机舱盖板为研究对象,从材料和结构两个角度出发进行轻量化设计,主要研究内容如下:(1)就国内和国外碳纤维复合材料在汽车覆盖件、结构件上的应用现状及理论研究现状做了完整的概述。介绍了复合材料的宏观力学理论,包括单层材料的本构关系和强度理论、叠层复合材料的应力—应变关系和刚度。这为碳纤维复合材料汽车前机舱盖板的设计、优化、分析提供了扎实的理论基础。采用树脂传递模塑成型工艺(RTM)、24K碳纤维、环氧树脂制作了复合材料力学性能试验样件,根据ASTM系列标准对样件进行了试验,获得了材料的力学性能,包括模量、强度、泊松比等,为后续碳纤维复合材料的有限元仿真分析提供了可靠的材料数据输入。(2)确定了8种工况以描述前机舱盖板的各种受力情况。根据整车建模标准建立了钢制前机舱盖板的有限元模型。对前机舱盖板依据以上工况进行了分析,得到了其刚度、强度、模态并对其进行了评价。结果表明,各项评价指标均在要求的范围之内,将其作为优化设计中的参考指标。(3)按照复合材料的铺层设计原则及等刚度原则,设计了初始碳纤维复合材料前机舱盖内板和外板的铺层方案。对CFRP前机舱盖板采用两种方案进行了优化,第一种是基于初始方案进行的尺寸优化;第二种方案是分段优化,它包含铺层裁剪形状优化、厚度优化、铺层顺序优化。对复合材料总成进行了有限元建模,在相同工况下比较了钢制前机舱盖板、初始方案、方案一、方案二的碳纤维复合材料前机舱盖板的各项性能,对比发现,碳纤维复合材料总成在保证各项性能不低于原钢制前机舱盖板的情况下,质量明显减小,而优化后的方案比初始方案又有进一步的减重,其中方案二的整体表现比方案一更为优异。方案二比钢制的前机舱盖板减重51%,轻量化效果显著。制作了CFRP前机舱盖板并进行了刚度和模态试验,经仿真和试验数据对比可知,两者的结果基本吻合,有效的验证了优化方案的可行性和仿真准确性。(4)按照C-NCAP(2018版)中的规定,采用CATIA软件进行了前机舱盖板头部碰撞区域的划分。参考该规则给出的碰撞角度和速度进行了成人、儿童头型冲击器与钢制前机舱盖板、碳纤维复合材料前机舱盖板的碰撞仿真,依据碰撞过程中头型重心的加速度—时间曲线得到HIC值。前机舱盖板的安全性能取决于HIC的大小。结果显示,碳纤维复合材料前机舱盖板的行人头部保护性能优于钢制的。本文通过对碳纤维复合材料前机舱盖板进行设计优化,包含铺层裁剪形状优化、厚度优化、铺层次序优化,在保证结构强度、刚度、模态不降低的前提下,实现了轻量化,为复合材料在汽车覆盖件中的应用提供了重要指导和参考。