复合材料悬架控制臂结构轻量化设计

作     者：杨绍勇 

作者单位：湖南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：韩旭;雷飞

授予年度：2017年

学科分类：08[工学] 080204[工学-车辆工程] 0802[工学-机械工程] 

主      题：复合材料 悬架控制臂 铺层设计特征 工艺可行性 多目标优化 胶-螺混合连接 

摘      要：悬架控制臂轻量化设计是汽车底盘的重要研究内容,复合材料凭借其优异的材料性能,将其应用于控制臂轻量化设计具有很大的研究意义。本文分别从复合材料控制臂几何结构设计、铺层优化设计以及胶-螺连接结构设计等方面开展了较为系统的研究,为复合材料结构优化设计方法与理论的发展提供了参考。首先,以钢质悬架控制臂为参考,运用多体动力学分析其在几种行驶工况下的载荷情况,作为有限元分析的边界条件,而后分析其刚度、强度以及固有频率等性能指标,作为后文的参考依据。接着,通过研究分析复合材料结构在成形工艺、结构开孔以及连接结构等方面的设计要求,结合控制臂主体部分和连接部位的结构特点,以钢质控制臂结构为基础,完成复合材料控制臂的几何结构设计,并确定了复合材料-钢质材料混合结构的连接部位结构设计方案。然后,基于铺层设计特征,提出了一种考虑铺层设计过程中铺层厚度、铺层角度以及铺层设计要求各环节序列关系的复合材料结构优化设计方法与流程。第一步采用准各向同性铺层,完成铺层厚度的设计,满足基本性能指标要求;第二步采用遗传算法对铺层角度进行优化设计,提高性能指标水平;第三步基于铺层设计原则,筛选所得Pareto解集,完成铺层设计;最终,验证所提出方法的有效性以及轻量化的效果。最后,基于对复合材料胶-螺混合连接结构中胶层与螺栓承担载荷的研究,建立胶-螺混合连接结构的有限元模型,并对比已有研究成果验证模型。依据连接结构承载力的主要影响因素,结合复合材料控制臂的结构特点,完成其连接结构的设计、分析与验证。结果表明,所设计的复合材料控制臂结构具有更好的结构性能,连接结构满足设计要求,并且实现减重29.23%,轻量化效果明显。