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摘 要：本文采用纤维增强复合材料和环氧树脂基材料对汽车引擎盖进行拓扑优化，样品制作和性能分析。根据实际工况的发动机罩，最小化目标函数与质量、测试性能指数的钢罩前为约束函数，发动机罩的纤维增强复合材料等效替代拓扑优化。各种工况下的试验结果表明，与钢罩相比，纤维增强复合材料罩的性能提高，复合材料罩的重量变轻。
关键词：纤维增强复合材料 汽车覆盖件 材料优化
Application of Fiber Reinforced Composite Materials in Automobile Covering Parts
Lin Zhihua
Abstract：In this paper， fiber reinforced composites and epoxy resin-based materials are used to optimize the automobile hood topology， sample making and performance analysis. According to the actual working conditions of the hood， the constraint function of minimizing the objective function and the mass and test performance index of the steel hood front is the constraint function， and the equivalent replacement topology optimization of the hood with fiber-reinforced composite material is achieved. The test results under various working conditions show that， compared with the steel hood， the performance of the fiber reinforced composite hood is improved and the weight of the composite hood is lighter.
Key words：fiber reinforced composite， automobile cover parts， material optimization
随着人均汽车拥有量的大幅度提升，面对需求量增大，而资源有限的情况下，汽车的轻量化显得尤为重要。汽车轻量化的优点是减少环境污染，保护公路，和降低汽车各零件间的磨损，间接增长了使用年限而进一步减少了环境污染。针对以上技术问题从三个方面着手，优化产品结构、使用纤维增强复合材料，还有对工艺参数进行改进。根据效果及资金投入程度，一般采用优化产品结构来分析汽车产品，碳纤维增强复合材料拥有热膨胀系数小、密度低、高比强度与模量、耐高温、抗疲劳等其他材料无可比拟的新型材料，最高的单根直径仅为7微米，是高端工业产品的首选材料。通过优化产品结构与新材料的结合实现最佳性价比。随着国内先进技术的飞速发展，针对新材料的优化吸引了大批有志者。
卢家海、刘钊等人对汽车保险杠进行优化，优化后的产品同时拥有了抗撞与轻便。龚有坤等人根据机械要求对汽车底盘后臂进行了优化设计和工艺研究。也有专家通过对底盘后壁进行工艺优化得出，碳纤维后臂与传统金属件相比减轻，同时确定热成型技术先进科学性。还有专家通过尝试确定在吸能上，泡沫铝填充纤维的高性能纤维效果明显。有的专家确定对将碳纤维增强纤维与铝蜂窝管工艺相结合效果更加明显。还有的专家针对不同的尺寸与随机转换角度同时配上不同负荷的健壮性拓扑优化方法。汽车公司完成对复合材料汽车部件赋予轻便的研究。中国第一汽车有限公司对汽车仪表板梁分别提出了不同厚度的五级和三级仪表板管梁结构的设计工艺改进，在轻便的基础上，同时保证力学性质合格。
巴伐利亚机械厂股份有限公司是首辆可批量式生产的同时采用碳纤维增强复合材料的电动车。碳纤维复合材料的使用使常用车重量可控制在1.2t以下。例如山东中企重工车辆有限公司的超轻车采用新型纤维增强复合材料，降低了13米车的重量，温州飞创汽车科技有限公司打造的四驱轻量化汽车也是采用新兴纤维增强复合材料，通用汽车公司的轻量化的概念车，通过采用的新型纤维增强复合材料使整体车重大大降低。国内第一家采用新型碳纤维增强复合材料在汽车上的应用是来自于江苏的一家生产新能源汽車的公司。相对于传统汽车而言，车重直线下降。
对于社会对轻便型车的追求，也行响应国家轻便、环保、节能的政策，中国吉林公司骨干们针对采用新型碳纤维增强复合材料在汽车上的使用方面做了深层的展望，并且针对未来几年甚至几十年对汽车高端技术的具体强制性要求。本文在已有基础上，通过对一种新型纤维增强复合材料进行设计并进行小样尝试。通过力学性能对比分析，通过对比实验得出针对新型增强复合材料的实验采用有限元ABAQUS可行的科学性，因此通过采用有限元ABAQUS优化方案对新材料发动机罩的铺层优化升级。
1 新型纤维增强复合材料发动机罩的设计方案
常用的发动机罩通常包括内板、外板和夹层。设计也就针对这三方面来进行。然而，研究发现这种常规结构不利于安装与整车的匹对。在传统燃油车模型上进行纤维增强复合材料车罩设计。而让内、外板的结构仍然保持不变，没有做太多的改变，内、外板通过粘结连接。结合实验目的，同时权衡实验成本与相关参数要求，经过多方面对比分析，同时考虑到配备度问题，最终材料定为碳纤维增强复合材料与玻璃纤维增强复合材料，其中把碳纤维增强复合材料作为实验的主要成分，而将玻璃纤维增强复合材料作为次要材料，之所以这样安排是由碳纤维增强复合材料与玻璃增强复合材料的力学性质所决定的，新型玻璃纤维增强复合材料中仅含有三分之一的碳纤维，同时它的伸展性较高些，这样就是新型玻璃纤维增强复合材料在受到外界力时更容易变形，从而大大提高了整辆车的匹配度。 反设计在芬兰设计大师认为，反设计可以理解为没有设计的设计，反设计蕴含着自然、纯粹、优美。本文就采用反设计的理念进行实验。让发动机的表面维持原状，只是对内板部件进行设计升级。让发动机罩的外板控制在不大于2毫米总厚度进行设计升级，内板按比外板少0.3毫米的总厚度进行设计，同时保证内外板厚度相等。以钢罩为基础，重新设计纤维增强复合材料罩的几何模型。
2 钢制材料发动机的机罩力学性能试验
根据新型纤维增强复合材料引擎盖拓扑优化所需的边界约束条件、前后点扭转、侧向、弯曲刚度，进行了一系列的试验。通过实验，测量了各种工况下的主要力学性能指标。
扭转弯曲试验是模拟测试的发动机罩抵抗变形的能力被子弹击中后，这种先后通过两个缓冲块关闭时刻承受扭转载荷;横向刚度测试是模拟，当锁允许安装公差范围内，内部仍有可能受到侧向力锁封闭罩时，当汽车猛然加速、突然急刹车，或者在转弯时，汽车的惯性负荷对引擎盖施加一个冲击力，弯曲刚度试验是为了抗变形效果，模拟引擎盖在合拢时受到锁所施加的垂直力时的抗变形效果，通过试验获得其整体弯曲刚度参数。而模态试验可获得引擎盖的模态信息用以远离低频共振。
2.1 对缓冲块的约束与加载
根据汽车行业的测试标准，在扭转弯曲实验测试时，局部坐标系的发动机的机罩，6自由度铰链和z方向的平移自由度对缓冲块的约束，和80n负荷应用于左派的z缓冲块。在横向刚度测试中，对左右缓冲块铰链的6个自由度和z向平移自由度进行约束，伺服液压系统对锁存器施加250N载荷。在弯曲刚度测试中，对左右缓冲块铰链的6自由度和z向平移自由度进行约束，并在锁存处z向施加200N的载荷。在自由模态试验中，在夹具上挂上发动机的机罩铰链，借助的工具时抗拉扯的高性能橡胶绳，在发动机罩内外板表面分别均匀垫20和26个单向加速度传感器。由激振器激发发动机罩内板的中央前端。
2.2 对结构系统的自由模态分析
通过对结构系统的振动特性分析能验证实验测试结果的有效性，模态是其中的一种，即可以通过模态进行分析论证，经对结构系统的模态分析，对结构系统在易受损坏的频率的界限进行标注，来保证结构系统正常使用。再通过有限元仿真分析得出发动机罩整体扭转、弯曲模态测试值。
2.3 通过横向刚度分析模拟惯性负荷
汽车发生方向转动时，对发动机罩上的惯性负荷进行模拟。在仿真实验过程中，将引擎盖铰链固定，锁头一侧施100N的力，对处在闭合状态下的引擎盖变形系统分析。将引擎盖的两支点与铰链的枢轴位置进行暂时性固定，约束住除绕横向轴旋转度外的所有自由度，同时把前端支点仅约束为垂直位移。在此工况下进行有限元仿真分析和实验分析。
2.4 对引擎盖的扭转刚度进行科学分析
引擎盖扭转刚度仿真分析的目的是为了测试在引擎盖关闭时，在整辆车的垂直力作用下，引擎盖的抗变形能力。
得知有限元分析值和样品测试值，纤维增强复合材料可满足设计要求。同时发动机罩质量降低。横向与扭转刚度在不同范围内提高，得出新型材料在轻量化上效果有优势。通过有限元模拟值比较，验证了新型纤维增强复合材料有限元建模方法的有效性。
3 纤维增强复合材料
测试验证结果表明，对于发动机罩的刚度和模态性能上，新材料完全满足要求，性能指标改善在一定程度上与原钢发动机罩相比。在强度和刚度满足要求的情况下，进一步对设计方案进行优化。优化设计包括设计目标、变量和约束三个要素。设计目标与变量是优化过程中的一种参数。通过改变变量找到最优解，从而提高结构性能。目标函数作为评价指标，约束条件是对设计变量进行改变时所施加的约束。在优化设计中，可以把单层厚度、铺放方向、顺序作为变量。每个参数可以作为变量优化，罩内外板结构已确定，纤维增强的剪切形状大小已确定，并基于初始纤维设计中每层厚度，改变纤维层方向。在本文中，铺层厚度与角度作为优化设计变量。
（1）优化设计目标：优化设计是在保证基本性能下，改变纤维层厚和层间角度，实现轻便。所以通过以引擎盖的最小质量作为优化设计的目标函数，绘制优化迭代过程中的引擎盖质量变化曲线来进行设计优化。（2）优化设计变量：对单层光纤铺设厚度和角度的参数进行联合优化。光纤铺设让内外板铺设反对称。（3）优化设计约束：纤维复合材料发动机罩的约束条件应满足发动机罩的刚度、强度和振动频率等性能要求。受客观条件影响，以原钢发动机的机罩为参考基准。
4 结语
参照新型增强复合材料叠层板的力学原理，发动机罩的自由模态，扭转与横向刚度计算，并与钢材质相比，表明新型纤维增强复合材料的使用遮光罩的设计与原来的金属板内外罩，其模态、弯曲、扭转刚度值都有一定提升，重量急剧下降。充分展示了复合材料用于车身覆盖物的明显优势，验证了实际应用的可行性。在保证基本性能的前提下，对复合材料引擎盖进行优化，使其重量进一步降低，充分发挥了纤维复合材料在汽车轻量化方面的明显优势。
参考文献：
[1]王登峰，卢放.基于多学科优化设计方法的白车身轻量化[J].吉林大学学报：工学版，2015，45（1）：29-37.
[2]杨天云，張晴朗，杨兵.CAE在汽车座椅轻量化设计中的应用[J].精密成形工程，2012，4（1）：73-77.
[3]沙云东，贾秋月，骆丽.纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计[J].航空动力学报，2016，31（12）：2933-2940.
[4]段尊义.纤维增强复合材料框架结构拓扑与纤维铺角一体化优化设计[D].大连：大连理工大学运载工程与力学学部，2016.
关键词：纤维增强复合材料 汽车覆盖件 材料优化
Application of Fiber Reinforced Composite Materials in Automobile Covering Parts
Lin Zhihua
Abstract：In this paper， fiber reinforced composites and epoxy resin-based materials are used to optimize the automobile hood topology， sample making and performance analysis. According to the actual working conditions of the hood， the constraint function of minimizing the objective function and the mass and test performance index of the steel hood front is the constraint function， and the equivalent replacement topology optimization of the hood with fiber-reinforced composite material is achieved. The test results under various working conditions show that， compared with the steel hood， the performance of the fiber reinforced composite hood is improved and the weight of the composite hood is lighter.
Key words：fiber reinforced composite， automobile cover parts， material optimization
随着人均汽车拥有量的大幅度提升，面对需求量增大，而资源有限的情况下，汽车的轻量化显得尤为重要。汽车轻量化的优点是减少环境污染，保护公路，和降低汽车各零件间的磨损，间接增长了使用年限而进一步减少了环境污染。针对以上技术问题从三个方面着手，优化产品结构、使用纤维增强复合材料，还有对工艺参数进行改进。根据效果及资金投入程度，一般采用优化产品结构来分析汽车产品，碳纤维增强复合材料拥有热膨胀系数小、密度低、高比强度与模量、耐高温、抗疲劳等其他材料无可比拟的新型材料，最高的单根直径仅为7微米，是高端工业产品的首选材料。通过优化产品结构与新材料的结合实现最佳性价比。随着国内先进技术的飞速发展，针对新材料的优化吸引了大批有志者。
卢家海、刘钊等人对汽车保险杠进行优化，优化后的产品同时拥有了抗撞与轻便。龚有坤等人根据机械要求对汽车底盘后臂进行了优化设计和工艺研究。也有专家通过对底盘后壁进行工艺优化得出，碳纤维后臂与传统金属件相比减轻，同时确定热成型技术先进科学性。还有专家通过尝试确定在吸能上，泡沫铝填充纤维的高性能纤维效果明显。有的专家确定对将碳纤维增强纤维与铝蜂窝管工艺相结合效果更加明显。还有的专家针对不同的尺寸与随机转换角度同时配上不同负荷的健壮性拓扑优化方法。汽车公司完成对复合材料汽车部件赋予轻便的研究。中国第一汽车有限公司对汽车仪表板梁分别提出了不同厚度的五级和三级仪表板管梁结构的设计工艺改进，在轻便的基础上，同时保证力学性质合格。
巴伐利亚机械厂股份有限公司是首辆可批量式生产的同时采用碳纤维增强复合材料的电动车。碳纤维复合材料的使用使常用车重量可控制在1.2t以下。例如山东中企重工车辆有限公司的超轻车采用新型纤维增强复合材料，降低了13米车的重量，温州飞创汽车科技有限公司打造的四驱轻量化汽车也是采用新兴纤维增强复合材料，通用汽车公司的轻量化的概念车，通过采用的新型纤维增强复合材料使整体车重大大降低。国内第一家采用新型碳纤维增强复合材料在汽车上的应用是来自于江苏的一家生产新能源汽車的公司。相对于传统汽车而言，车重直线下降。
对于社会对轻便型车的追求，也行响应国家轻便、环保、节能的政策，中国吉林公司骨干们针对采用新型碳纤维增强复合材料在汽车上的使用方面做了深层的展望，并且针对未来几年甚至几十年对汽车高端技术的具体强制性要求。本文在已有基础上，通过对一种新型纤维增强复合材料进行设计并进行小样尝试。通过力学性能对比分析，通过对比实验得出针对新型增强复合材料的实验采用有限元ABAQUS可行的科学性，因此通过采用有限元ABAQUS优化方案对新材料发动机罩的铺层优化升级。
1 新型纤维增强复合材料发动机罩的设计方案
常用的发动机罩通常包括内板、外板和夹层。设计也就针对这三方面来进行。然而，研究发现这种常规结构不利于安装与整车的匹对。在传统燃油车模型上进行纤维增强复合材料车罩设计。而让内、外板的结构仍然保持不变，没有做太多的改变，内、外板通过粘结连接。结合实验目的，同时权衡实验成本与相关参数要求，经过多方面对比分析，同时考虑到配备度问题，最终材料定为碳纤维增强复合材料与玻璃纤维增强复合材料，其中把碳纤维增强复合材料作为实验的主要成分，而将玻璃纤维增强复合材料作为次要材料，之所以这样安排是由碳纤维增强复合材料与玻璃增强复合材料的力学性质所决定的，新型玻璃纤维增强复合材料中仅含有三分之一的碳纤维，同时它的伸展性较高些，这样就是新型玻璃纤维增强复合材料在受到外界力时更容易变形，从而大大提高了整辆车的匹配度。 反设计在芬兰设计大师认为，反设计可以理解为没有设计的设计，反设计蕴含着自然、纯粹、优美。本文就采用反设计的理念进行实验。让发动机的表面维持原状，只是对内板部件进行设计升级。让发动机罩的外板控制在不大于2毫米总厚度进行设计升级，内板按比外板少0.3毫米的总厚度进行设计，同时保证内外板厚度相等。以钢罩为基础，重新设计纤维增强复合材料罩的几何模型。
2 钢制材料发动机的机罩力学性能试验
根据新型纤维增强复合材料引擎盖拓扑优化所需的边界约束条件、前后点扭转、侧向、弯曲刚度，进行了一系列的试验。通过实验，测量了各种工况下的主要力学性能指标。
扭转弯曲试验是模拟测试的发动机罩抵抗变形的能力被子弹击中后，这种先后通过两个缓冲块关闭时刻承受扭转载荷;横向刚度测试是模拟，当锁允许安装公差范围内，内部仍有可能受到侧向力锁封闭罩时，当汽车猛然加速、突然急刹车，或者在转弯时，汽车的惯性负荷对引擎盖施加一个冲击力，弯曲刚度试验是为了抗变形效果，模拟引擎盖在合拢时受到锁所施加的垂直力时的抗变形效果，通过试验获得其整体弯曲刚度参数。而模态试验可获得引擎盖的模态信息用以远离低频共振。
2.1 对缓冲块的约束与加载
根据汽车行业的测试标准，在扭转弯曲实验测试时，局部坐标系的发动机的机罩，6自由度铰链和z方向的平移自由度对缓冲块的约束，和80n负荷应用于左派的z缓冲块。在横向刚度测试中，对左右缓冲块铰链的6个自由度和z向平移自由度进行约束，伺服液压系统对锁存器施加250N载荷。在弯曲刚度测试中，对左右缓冲块铰链的6自由度和z向平移自由度进行约束，并在锁存处z向施加200N的载荷。在自由模态试验中，在夹具上挂上发动机的机罩铰链，借助的工具时抗拉扯的高性能橡胶绳，在发动机罩内外板表面分别均匀垫20和26个单向加速度传感器。由激振器激发发动机罩内板的中央前端。
2.2 对结构系统的自由模态分析
通过对结构系统的振动特性分析能验证实验测试结果的有效性，模态是其中的一种，即可以通过模态进行分析论证，经对结构系统的模态分析，对结构系统在易受损坏的频率的界限进行标注，来保证结构系统正常使用。再通过有限元仿真分析得出发动机罩整体扭转、弯曲模态测试值。
2.3 通过横向刚度分析模拟惯性负荷
汽车发生方向转动时，对发动机罩上的惯性负荷进行模拟。在仿真实验过程中，将引擎盖铰链固定，锁头一侧施100N的力，对处在闭合状态下的引擎盖变形系统分析。将引擎盖的两支点与铰链的枢轴位置进行暂时性固定，约束住除绕横向轴旋转度外的所有自由度，同时把前端支点仅约束为垂直位移。在此工况下进行有限元仿真分析和实验分析。
2.4 对引擎盖的扭转刚度进行科学分析
引擎盖扭转刚度仿真分析的目的是为了测试在引擎盖关闭时，在整辆车的垂直力作用下，引擎盖的抗变形能力。
得知有限元分析值和样品测试值，纤维增强复合材料可满足设计要求。同时发动机罩质量降低。横向与扭转刚度在不同范围内提高，得出新型材料在轻量化上效果有优势。通过有限元模拟值比较，验证了新型纤维增强复合材料有限元建模方法的有效性。
3 纤维增强复合材料
测试验证结果表明，对于发动机罩的刚度和模态性能上，新材料完全满足要求，性能指标改善在一定程度上与原钢发动机罩相比。在强度和刚度满足要求的情况下，进一步对设计方案进行优化。优化设计包括设计目标、变量和约束三个要素。设计目标与变量是优化过程中的一种参数。通过改变变量找到最优解，从而提高结构性能。目标函数作为评价指标，约束条件是对设计变量进行改变时所施加的约束。在优化设计中，可以把单层厚度、铺放方向、顺序作为变量。每个参数可以作为变量优化，罩内外板结构已确定，纤维增强的剪切形状大小已确定，并基于初始纤维设计中每层厚度，改变纤维层方向。在本文中，铺层厚度与角度作为优化设计变量。
（1）优化设计目标：优化设计是在保证基本性能下，改变纤维层厚和层间角度，实现轻便。所以通过以引擎盖的最小质量作为优化设计的目标函数，绘制优化迭代过程中的引擎盖质量变化曲线来进行设计优化。（2）优化设计变量：对单层光纤铺设厚度和角度的参数进行联合优化。光纤铺设让内外板铺设反对称。（3）优化设计约束：纤维复合材料发动机罩的约束条件应满足发动机罩的刚度、强度和振动频率等性能要求。受客观条件影响，以原钢发动机的机罩为参考基准。
4 结语
参照新型增强复合材料叠层板的力学原理，发动机罩的自由模态，扭转与横向刚度计算，并与钢材质相比，表明新型纤维增强复合材料的使用遮光罩的设计与原来的金属板内外罩，其模态、弯曲、扭转刚度值都有一定提升，重量急剧下降。充分展示了复合材料用于车身覆盖物的明显优势，验证了实际应用的可行性。在保证基本性能的前提下，对复合材料引擎盖进行优化，使其重量进一步降低，充分发挥了纤维复合材料在汽车轻量化方面的明显优势。
参考文献：
[1]王登峰，卢放.基于多学科优化设计方法的白车身轻量化[J].吉林大学学报：工学版，2015，45（1）：29-37.
[2]杨天云，張晴朗，杨兵.CAE在汽车座椅轻量化设计中的应用[J].精密成形工程，2012，4（1）：73-77.
[3]沙云东，贾秋月，骆丽.纤维增强复合材料轴结构铺层方案优化设计[J].航空动力学报，2016，31（12）：2933-2940.
[4]段尊义.纤维增强复合材料框架结构拓扑与纤维铺角一体化优化设计[D].大连：大连理工大学运载工程与力学学部，2016.