摘 要

碳纤维复合材料作为一种新型材料，其优异的性能使其在很多行业应用越来越广泛。为实现汽车轻量化，减少汽车排放，人们也开始将目光转向了碳纤维复合材料，部分汽车零部件已经开始采用碳纤维复合材料制作。本文将采用ANSYS有限元软件，对碳纤维复合材料汽车顶盖的优化设计进行了研究分析。

文章主要内容包括建立碳纤维复合材料汽车顶盖的有限元模型以及在确保顶盖安全可靠的前提下进行优化设计。根据刚度和稳定性要求对汽车顶盖进行了优化分析，分别从纤维的铺层数量、纤维的铺设角度以及纤维的铺设顺序三个方面来分析研究它们对顶盖挠度和稳定性的影响。通过分析计算数据来研究其变化趋势，得出优化结果。该优化结果对实际碳纤维复合材料汽车顶盖的设计具有重要意义。

关键词：碳纤维；有限元；汽车顶盖；稳定性

Abstract

As a new type of material, carbon fiber composite material has been widely used in many industries because of its excellent properties. In order to reduce vehicle weight and reduce vehicle emissions, people are also turning their attention to carbon fiber composite materials. Some auto parts have begun to use carbon fiber composite materials. This article will use ANSYS finite element software to study the optimization design of carbon fiber composite automotive roof.

The main contents of the article include the establishment of a finite element model of a carbon fiber composite automobile roof and the optimization of the design under the premise of ensuring the safety and reliability of the roof. According to the stiffness and stability requirements of the car roof was optimized analysis, respectively, from the number of fiber plies, the laying of the fiber angle and the laying of the fiber in three aspects of the analysis of their impact on the cover deflection and stability. By analyzing the calculation data to study its changing trend, the optimization result is obtained. This optimization result is of great significance to the design of the actual carbon fiber composite automotive roof.

Key Words：carbon fiber；Finite element；Car cover；stability

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究的目的及意义 1

1.2 复合材料介绍 1

1.2.1 复合材料的分类 1

1.2.2 复合材料的优异性能 2

1.3 国内外研究现状 4

1.4 本文主要硏究内容及方法 4

1.4.1 设计的基本内容 4

1.4.2 设计目标 4

1.4.3 拟采用的技术方案及措施 4

第2章 有限元分析方法及软件介绍 5

2.1 有限元软件介绍 5

2.2 有限元法概述 5

2.3 ANSYS有限元分析步骤 5

2.4 有限元屈曲分析 7

2.4.1 特征值屈曲分析 7

2.4.2 非线性屈曲分析 8

第3章 基于ANSYS的CFRP汽车顶盖有限元模型建立 10

3.1 顶盖基本模型参数 10

3.2 CFRP顶盖单元类型选择 10

3.3 CFRP材料属性定义及层属性的定义 10

3.4 顶盖模型建立 11

3.5 顶盖网格划分 11

第4章 基于ANSYS的CFRP汽车顶盖的铺层设计 13

4.1 汽车顶盖挠度分析 13

4.1.1 铺层数对挠度的影响 13

4.1.2 铺层角度对挠度的影响 14

4.1.3 铺层顺序对挠度的影响 14

4.2 汽车顶盖稳定性分析 15

4.2.1 铺层数对稳定性的影响 16

4.2.2 铺层角度对稳定性的影响 16

4.2.3 铺层顺序对稳定性的影响 17

第5章 结论与展望 18

5.1 本文工作总结 18

5.2 展望 18

参考文献 19

致谢 21

第1章 绪论

1.1 研究的目的及意义

当前来看，全球的石油产量有70% ～ 80%被作为汽车燃油来使用，减少汽车燃油消耗是改善全球气候问题非常重要的措施之一。当前，世界上多个国家都已经意识到了二氧化碳排放过多的问题，所以大都制定了相关规定来量性减少燃油消耗，降低二氧化碳的排放量，从而减轻环境问题。我国也同样颁布了相关规定，明确提出了关于二氧化碳的排放要求，并制定了相关指标的目标。

在这种问题下，如何减少燃料的使用，降低二氧化碳的排放就成为了我们不得不关注的问题。人们不断研究，发现了许多可行的方法，其中汽车的轻量化是最好用的方法之一。而将传统的金属材料代替为高性能的复合纤维材料是此刻研究出的实现汽车轻量化的最有用的方式。宝马汽车在i3、i8电动车、7系、5系等量产车中率先大量生产碳纤维复合材料，轻量化的效果非常显著，并在汽车行业引发了材料创新的新浪潮。如今，世界上大部分国家地区都发现了碳纤维复合材料的优势，所以开展了碳纤维复合材料的研究计划。这是因为碳纤维复合材料在汽车轻量化上确实有很多的优点，主要包括：比强度、比模量高、密度较小，对汽车的轻量化结果非常明显；高集成度，从而减少了零部件的数量；设计自由度高，相对较容易实现流线型曲面且成本比较低；减震性能良好；吸收冲击性能高达金属的5倍，显著提高了碰撞过程中人员的安全性；改变了汽车生产流程，通过使用模压和粘结工艺而不是冲压和焊接工艺。目前来看把CFRP材料作为汽车轻量化结构材料来取代金属材料，在性能上时完全可以满足相关要求的，主要问题是在如何批量生产和生产成本上。

作为汽车的关键部位之一，汽车顶盖的作用是非常大的，它能够维护汽车的整体结构，同时在庇护成员安全方面也起着不可忽视的作用。并且汽车顶盖当承受以雪荷载为代表的均布荷载或汽车翻滚事故中的顶压荷载时，汽车顶盖的布局就会产生一些微小的变化并会直接影响到顶盖的使用性能。因此，研究汽车顶盖的性能是十分必要的。

1.2 复合材料介绍

1.2.1 复合材料的分类

（1）按使用性能分类

根据不同的使用性能，复合材料可以分为结构复合材料和功能复合材料两大种类。其中，结构复合材料主要是由基体材料和增强材料这两种成分构成，利用复合材料的各类优异的力学性能（强度、刚度、韧性等）用于制造有些结构的材料。其中增强材料主要用来承担外部荷载，提供了材料的强度和刚度，材料的力学性能便由其控制着；基体材料则是用来固定和庇护和加强纤维的，并能够传递纤维间剪力和防止纤维的弯曲，除此之外，还能改良复合材料的一些机能。

功能复合材料指的是材料除了本身基本的力学性能之外还能够额外提供其他物理性能的复合材料。额外物理性能如导电、阻尼、吸波、吸声、隔热等功能，除此之外，有些材料还能拥有一些生物和化学性能。功能复合材料同样包括两大部分-功能体和基体，其中功能体可能是一种也可能是多种。一种功能体的材料他的性质则由该功能体提供，多种功能体的材料则能拥有多种功能，并且还有可能会因为复合效应诞生全新的功能。所以多功能的材料应用范围会相对较广，这也是未来复合材料大力发展的方向之一。

（2）按基体材料类型分类

在按照基体材料的类型来进行分类时，大致可以分为金属基复合材料、树脂基复合材料、无机非金属基材料三大类。

（3）按增强纤维类型分类

当按照增强纤维的类型分类时，大致可分为：玻璃纤维复合材料、碳纤维复合材料、有机纤维复合材料、金属纤维复合材料和陶瓷纤维复合材料。

（4）按复合材料结构形式分类

根据不同的结构形状，复合材料大致可以分成层状复合材料、三维编织复合材料和夹层复合材料。层状复合材料指的是复合材料中的增强相按照互相平行的层面分层铺设，并且各个层面之间通过基体材料来连接。例如纤维加强复合材料层合板、金属陶瓷层状复合材料等；三维编织复合材料是一种新型的复合材料，它是现代先进复合材料生产技术和立体编织技术共同作用下的产物，是先进复合材料的主要代表之一；夹层复合材料通常面材的强度较高、面材薄；芯材质轻且强度较低，但仍具有一定的刚度和厚度。

1.2.2 复合材料的优异性能

（１） 比强度高、比模量大

复合材料的最大优势是较高的比强度和较高的比模量。 比强度指的是材料的强度与材料的密度的比率，比模量指的是材料的模量与材料的密度的比率。 比强度和比模量是一种材料的性能指标，它在相同质量的基础下衡量结构材料的刚度特性和承载能力。 对航空航天的结构部件来说，汽车，火车和船舶等运动结构是非常重要的指标，因为这意味着它们可以制成性能好，重量轻的结构。 对于化工设备和建筑工程，材料的高比强度和大比模量意味着它可以减轻自重，提高其承载能力，并提高其抗震性能。

1. 电性能好

树脂基复合材料是一种优良的电绝缘材料，其用于制造仪表，电机和电器中的绝缘部件不仅可以提高电气设备的可靠性，还可以延长使用寿命，并且可以保持高频率。 它具有良好的介电性能，不反射电磁波，并具有良好的微波通透性。因此当前它被广泛用作制造飞机，舰船和地面天线罩的高频波传输材料。

1. 阻尼减振性能好

除了其形状之外，受力结构的自然振动频率还与结构材料的比模量的平方根成比例。 因此，复合材料通常具有较高的固有频率，并且它们的结构通常不容易发生共振。同时，复合材料基体与纤维之间的界面具有较大的吸收振动能量的能力，因此材料的振动阻尼较高，所以一旦振动，也能够在短时间内停止下来。

1. 良好的破裂安全性能

当纤维增强复合材料的承载能力不足时，其整体结构不会像传统材料那样在短时间内发生破坏，而是会经历一系列过程，例如基体损坏，开裂，脱粘和纤维破损等。这是由于复合材料的结构造成的，增强纤维和基体是复合材料的两大组成部分，复合材料内的纤维数量是非常庞大的，在承受外部荷载时纤维共同分担，当构件超载并有一些纤维发生断裂时，载荷会通过基体的传递迅速重新分配到未破坏的纤维上。所以，复合材料部件并不会在短时间内发生破坏从而丧失其承载能力。从中可以看出，纤维增强复合材料拥有非常好的破裂安全机能。除此之外，可以将复合材料组合起来，从而可以有效地实现由于紧固件松动引起的许多问题，并且当接头减少时，在减少工艺数量和提高工作效率时工艺性能会更好。

1. 良好的抗疲劳性能

疲劳破坏是由于材料反复开裂和持续膨胀而造成的低应力损伤。抗疲劳性能是能影响材料的使用寿命的主要因素之一，实验测得，金属材料的疲劳破坏从内部向外部逐渐变化，并突然向外延伸，而复合材料的疲劳破坏一般是从纤维或基体比较薄弱的环节开始的，在损伤比较多且尺寸比较大时，破坏前有比较明显的征兆，而不会像金属材料那样发生突然的断裂。这一特点让我们可以提前发现纤维增强复合材料的断裂并采取相应的措施，这样就能大幅度降低断裂事故的发生率，从而减少和避免了哪些不必要的损失。是以，纤维增强复合材料的抗疲劳机能相比金属材料来说要优异很多。

1. 耐化学腐蚀性能好

通常的玻璃纤维增强热固性树脂基复合材料通常耐酸，稀碱，有机溶剂，海水和水分。玻璃纤维增强热塑性树脂基复合材料通常比热固性材料更具耐化学性。通常，基材主要控制其耐化学性。 如果玻璃纤维不耐氰化物如氢氟酸并且生产氢氟酸基氢化物的复合材料，则产品中与介质接触的表面层的增强材料不能使用玻璃纤维，而是饱和的饱和聚酯或聚丙烯纤维，基体也必须耐氢氟酸。

1.3 国内外研究现状

（1）KIM D H等利用微遗传算法钻研阐发了关于汽车碳纤维复合材料下摆臂铺层顺序对其承载能力的影响，并取得了较好的铺层顺序。

（2）胡晶等运用了数值模拟分析的方法来分析了铺层角度、厚度、顺序及对称性对碳纤维复合材料传动轴扭转特性的影响，并找出了相关规律。

（3）LIU Z等基于修正PSO 算法和 Kriging 代理模型，对多工况碳纤维复合材料保险杠展开了相关优化设计。

（4）肖志等基于ABAQUS钻研了碳纤维汽车顶盖的力学性能，并经自由尺寸优化、尺寸优化和层组优化将碳纤维复合材料汽车顶盖的铺层进行了研究分析。对本文的研究具备一定的指导意义，并为本文提供了相关的理论基础。

（5）MANJUNATH K等利用PSOA 算法对复合材料传动轴进行了铺层优化设计，并与遗传算法成果进行了比较对照，验证了算法的优势与可行性。

（6）严君基于Optistruct对碳纤维复合材料薄壁结构进行了优化设计。

到目前为止，应用在汽车上的碳纤维复合材料的优化设计研究主要基于对矩形板和传动轴等优化算法的研究。 很少有文献将该过程的可行性与实际零件的结构设计相结合。近年来，虽然对汽车碳纤维复合材料部件的优化设计和分析进行了大量研究，但对碳纤维复合材料汽车顶盖的研究还较少。本文将根据其实际约束和载荷情况，采用有限元分析的方法对碳纤维复合材料汽车顶盖进行力学分析，确保碳纤维复合材料汽车顶盖的安全性并进行优化设计从而具有更好的经济性能。

1.4 本文主要硏究内容及方法

1.4.1 设计的基本内容

1）搜集相关资料并建立碳纤维复合材料汽车顶盖的有限元分析模型；

2）在确保碳纤维复合材料汽车顶盖的安全性的条件下就不同铺层数、不同铺设角度、不同铺设顺序进行刚度和稳定性分析。

1.4.2 设计目标

建立碳纤维复合材料汽车顶盖的有限元分析方法并获得相关结论。

1.4.3 拟采用的技术方案及措施

大量收集相关资料，确定简化的汽车顶盖模型尺寸以及材料的性能参数，根据有限元软件建立其基本的有限元分析模型，并根据实际情况加上约束和载荷。然后以建立的碳纤维复合材料汽车顶盖有限元模型为基础，根据所学的有限元分析方法和复合材料的相关理论就不同的铺层层数、不同铺设角度、不同铺层顺序进行刚度和稳定性分析。

第2章 有限元分析方法及软件介绍

2.1 有限元软件介绍

有限元分析方法是近年来迅速发展起来的一种计算方法，随着人们逐渐发现该算法的精确性和可行性，越来越多的人们开始研究改善这种方法。经过不断的探索研究，人们创造出了ANSYS、ABAQUS、MSC等比较完善的ANSYS计算系统。

本文为研究碳纤维复合材料汽车顶盖便是采用的其中的ANSYS分析软件。ANSYS分析软件是由美国ANSYS公司制造的有限元分析软件，由于其实用性，在众多的有限元软件中，越来越多人的接受并选用ANSYS作为分析软件，成为了全球用户最多的有限元软件。ANSYS有限元软件功能非常全面，操作也相对容易，还能够与其他计算机软件接口，来进行数据交流，在大量的科技研发中发挥着巨大的作用。

ANSYS主要分为三大模块：前处理模块、分析计算模块和后处理模块。前处理模块主要是让我们建立有限元模型以及对建立的模型进行网格的划分；分析计算模块则是为我们提供了多种分析方法来更加还原实际问题；在后处理模块我们便能将我们前面计算分析的结果以不同的方式展现出来，让我们能够从不同的角度分析问题。

2.2 有限元法概述

目前，人们在研究分析各种力学问题时，主要运用的方法大都是解析法和数值法。当问题既定时，如果我们能够通过具体推导来解出其问题的表达式从而解决问题，这样的方式便叫做解析法。但是，因为实际问题的复杂程度是非常大的，很难推导出其具体表达式，所以除了少部分非常容易的问题外，绝大部分的科研和工程问题都很难用解析法求解问题。因此，利用数值法求解慢慢被人们探究出来并成为了一种难以取代的方法，随着人们对其的不断研究，总结出了有限元法，有限差分法，边界元方法等数值求解方法。特别的，有限元方法是近些年由于计算机技术的发展而快速发展起来的计算机计算方法，其严谨的数学逻辑，清晰的物理概念，使其应用范围广泛，并且能够快速准确的解决各种各样的问题。有限元方法非常方便计算机编程，因为它是使用矩阵来表式基本表达式，这些优势给予了它非常强大的活力。

有限元方法的基本内容是首先将复杂的问题分割再将分割后的部分整合，即将连续体分为有限数量的单位;即将一个由多个节点连接的单元组成的整体结构进行处理，并首先进行单元分析，然后再整合这些单位来表示整体分析的原始结构。从数学的角度来看，有限元方法是将偏微分方程转化为代数方程，然后用计算机来解决这个问题。由于有限元方法使用矩阵方法，计算可以在计算机的帮助下快速简单地执行。

2.3 ANSYS有限元分析步骤

1.定义单元及材料

1） 定义单元类型

在我们运用有限元分析具体的问题时，我们要充分了解我们所研究的结构是什么样的，因为ANSYS为我们准备了很多种不同的单元，每个单元都对应着一个实际结构的简化模型。我们只有选择了正确的单元，才能将实际问题更准确的还原出来，这样才能获得更准确的计算结果。常见的单元有BEAM单元、LINK单元、SHELL单元、PLANE单元等，我们只有清楚地知道每一种单元所代表的类型才能准确把握每一个问题。

1. 定义材料属性

在有限元分析过程中，我们对于用到的材料要进行力学性能参数的确立，每种材料都要定义以将其区分开来。对于不同的材料，我们需要定义的也不同，如各向同性材料只需定义三个方向的力学参数，而各向异性材料却要定义九个方向的力学性能参数来确立其材料模型。

2.定义实常数