鋪層優(yōu)化
關(guān)注創(chuàng)建者：baoshuanghua 創(chuàng)建時間：2023-03-13
鋪層優(yōu)化的視頻教程
Workbench ACP基礎(chǔ)知識分享
Workbench acp是ANSYS旗下專門做復(fù)合材料有限元分析的版塊，建模方便、可視化強(qiáng)、鋪層優(yōu)化設(shè)計方便，特別適合初學(xué)者學(xué)習(xí)復(fù)合材料有限元分析。
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鋪層優(yōu)化的實例教程
汽車用碳纖維復(fù)合材料防撞梁鋪層角度優(yōu)化.pdf
碳纖維復(fù)合材料防撞梁鋪層角度優(yōu)化.pdf
解決方案：多學(xué)科優(yōu)化
首先確定翼梁上承受的載荷和邊界條件，使用拓?fù)?em>優(yōu)化技術(shù)對翼梁的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化計算。結(jié)果表明，翼梁使用中空的矩形截面仍能滿足性能要求。
然后使用AltairOptiStruct的復(fù)合材料優(yōu)化技術(shù)對矩形翼梁結(jié)構(gòu)中不同角度如正負(fù)45度和90度的鋪層進(jìn)行優(yōu)化。鋪層形狀優(yōu)化技術(shù)將首次應(yīng)用到鋪層角度的優(yōu)化上。
最后進(jìn)行鋪層尺寸的優(yōu)化，優(yōu)化過程中除了應(yīng)用應(yīng)變和屈曲約束，還用到Multi-continuum理論（MCT）的失效準(zhǔn)則。MCT通過將鋪層整體的應(yīng)力應(yīng)變分割成各組成部分（纖維和基體）的應(yīng)力應(yīng)變的方式來研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的微觀力學(xué)。這 將允許使用不同的失效理論研究纖維和基體來獲得每個組成部分的力學(xué)特性。由于MCT與有限元方法易于集成的特點， FireholeTechnologies公司已將其開發(fā)成商業(yè)軟件HeliusMCT，并集成在幾種有限元軟件包中。
來自Altair多學(xué)科優(yōu)化軟件HyperStudy的響應(yīng)面優(yōu)化技術(shù)將用來處理包含非線性有限元分析和multi-continuum理論的多學(xué)科優(yōu)化問題以獲得復(fù)合材料鋪層最優(yōu)的尺寸。
優(yōu)化結(jié)果：減重50%
優(yōu)化結(jié)果表明：翼梁的重量可以減少至原始設(shè)計的50%。輕量化設(shè)計首先來自于可將翼梁設(shè)計成中空矩形截面梁結(jié)構(gòu)的拓?fù)?em>優(yōu)化，然后引入鋪層角度的概念，通過鋪層角度優(yōu)化進(jìn)一步減輕結(jié)構(gòu)重量。最后在優(yōu)化過程中使用MCT失效準(zhǔn)則，使最終的設(shè)計方案滿足總體應(yīng)變、撓曲以及失效約束。
這一過程表明：在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中使用多學(xué)科優(yōu)化技術(shù)可以獲得更加輕便的結(jié)構(gòu)，使用復(fù)合材料鋪層形狀優(yōu)化加上響應(yīng)面優(yōu)化和multicontiuum理論將獲得輕量化的結(jié)構(gòu)并且滿足微觀力學(xué)水平的失效約束。
展開 尺寸優(yōu)化后的車門在垂直工況下最大變形位移出現(xiàn)在車門窗框上沿邊緣處，數(shù)值為8.211 mm，相比單純的自由尺寸優(yōu)化，剛度有所下降，但是仍然符合工程要求。
在優(yōu)化后，每一層從原有的4層增加到了48層，最終鋪層數(shù)目為192層。
3.3 鋪層順序優(yōu)化
鋪層順序優(yōu)化是在不改變鋪層厚度、形貌和結(jié)構(gòu)的前提下，對車門鋪層的疊加順序進(jìn)行優(yōu)化，目的是在原先的基礎(chǔ)上改善剛度和模態(tài)頻率。
為了結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方便，本文采用的初始鋪層數(shù)目為4層。而在工程中對于4層的復(fù)合材料常用的鋪層角度是0°、±45°和90°。圖4為對每一層規(guī)整后的車門外板鋪層圖，表7則為優(yōu)化后的車門外板的各鋪層具體厚度以及角度分布的詳細(xì)數(shù)據(jù)。
圖4 規(guī)整后的車門外板鋪層圖
表7 車門外板的每一層厚度以及角度數(shù)據(jù)
進(jìn)行靜力學(xué)分析后發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過鋪層順序優(yōu)化后的剛度性能表現(xiàn)更好，相比于優(yōu)化之前的車門，變形也減少了很多。優(yōu)化前后車門在各工況下最大位移比較見表8。
表8 優(yōu)化前后車門在各工況下的最大位移
之后對優(yōu)化后車門進(jìn)行約束模態(tài)分析來校核性能，得出一階模態(tài)約束頻率為47.11 Hz，避開了環(huán)境綜合激勵頻率，合乎設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。
4 結(jié)論
本文基于新型碳纖維材料和計算機(jī)輔助設(shè)計軟件，對某新能源汽車的車門進(jìn)行了材料替換和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的輕量化設(shè)計。對碳纖維復(fù)合材料車門依托自由尺寸拓?fù)?em>優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化理論進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并校核了優(yōu)化后車門的剛度和模態(tài)頻率。模態(tài)頻率和最大變形均滿足要求，最終優(yōu)化后的車門總質(zhì)量為8.052 kg，減重48.3%。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉鍇.中國新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況分析與測算[J].汽車縱橫,2021(11):16-20.
展開 日程安排:
第一期： 3月31日 14:00-16:00
《HyperMesh高效前處理技術(shù)在方程式賽車設(shè)計中的應(yīng)用》
HyperMesh基本功能演練
HyperMesh賽車模型建模
OptiStruct求解器靜力分析
第二期：4月13日 14:00-16:00
《基于OptiStruct的賽車拓?fù)?em>優(yōu)化》
拓?fù)?em>優(yōu)化設(shè)置及流程
賽車拓?fù)?em>優(yōu)化案例
第三期：4月20日 14:00-16:00
《基于OptiStruct的賽車復(fù)合材料優(yōu)化》
鋪層形狀優(yōu)化/鋪層數(shù)量優(yōu)化/鋪層順序優(yōu)化
賽車復(fù)合材料優(yōu)化流程
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鋪層優(yōu)化的最新內(nèi)容
從概念設(shè)計階段的拓?fù)鋬?yōu)化，到詳細(xì)設(shè)計的形狀、尺寸優(yōu)化，再到復(fù)合材料的鋪層優(yōu)化，它將線性/非線性分析、多物理場耦合等功能無縫集成，讓工程師在一個平臺上就能完成從方案探索到性能驗證的全鏈路工作。搭載的AMSES自動多級子結(jié)構(gòu)求解器，能快速處理百萬自由度模型，一小時內(nèi)完成數(shù)千階模態(tài)計算，將原本數(shù)月的仿真周期壓縮至數(shù)周。
航空航天領(lǐng)域的突破最能彰顯其硬核實力。
借助Multiscale Designer，團(tuán)隊完成了連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料船體部件的多尺度建模，通過正向建模方法優(yōu)化纖維鋪層方向與含量，并將仿真模型直接導(dǎo)入OptiStruct進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。最終，實現(xiàn)船體關(guān)鍵部件減重12%的同時，抗風(fēng)浪沖擊能力提升20%，并成功將 ply-by-ply結(jié)構(gòu)尺寸確定流程自動化，大幅提升了船廠組件制造效率。
復(fù)合材料仿真作為核心優(yōu)勢模塊，Simcenter 3D 支持層合板鋪層優(yōu)化、失效預(yù)測等專業(yè)分析。工程師可基于分層理論與等效單層理論，對多層復(fù)合材料結(jié)構(gòu)進(jìn)行多尺度建模，精準(zhǔn)計算層間應(yīng)力分布與臨界載荷，實現(xiàn)從材料微觀特性到結(jié)構(gòu)宏觀性能的跨尺度仿真驗證，為復(fù)合材料輕量化設(shè)計提供可靠依據(jù)。
行業(yè)應(yīng)用中，Simcenter 3D 已在航空航天、汽車、能源等領(lǐng)域驗證了價值。
建立厚度、鋪層方式與變形角度的關(guān)系，篩選出優(yōu)化的鋪層和厚度，為下一步進(jìn)行縮比典型試驗件的設(shè)計和研制提供理論指導(dǎo)。
wx_fmt=jpeg&from=appmsg"></p><p><br></p><p>最后一步就是鋪層堆疊順序優(yōu)化，不同的鋪層順序也會影響復(fù)材的性能，通過復(fù)材優(yōu)化三部曲就實現(xiàn)了性能的最佳。
可見，利用復(fù)合材料剛度方向可設(shè)計性和彎扭耦合剛度特性進(jìn)行機(jī)翼鋪層角度優(yōu)化設(shè)計，可在不改變機(jī)翼質(zhì)量和氣動外形設(shè)計的前提下，增強(qiáng)機(jī)翼扭轉(zhuǎn)方向的剛度，達(dá)到提高扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率的目的。
1.2 優(yōu)化流程
a）本文采用有限元前處理器 Patran 建立了機(jī)翼盒段 有限元模型，在Nastran求解器中計算得到單元內(nèi)力解分布；
b） 將有限元模型和內(nèi)力計算結(jié)果導(dǎo)入 Hypersizer 中，選 擇 T 型加筋壁板的尺寸參數(shù)和鋪層參數(shù)作為優(yōu)化變量，加 筋壁板的筋間距作為固定變量，形成參數(shù)集合；c） 對每個 參數(shù)組合進(jìn)行幾何尺寸、靜強(qiáng)度、穩(wěn)定性等各失效模式的 分析校核，得到該筋間距下滿足各種失效模式裕度要求的
以復(fù)合材料車門質(zhì)量最小化為目標(biāo)函數(shù)，靜態(tài)性能為約束條件，進(jìn)行了自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化、鋪層順序優(yōu)化。對優(yōu)化結(jié)果規(guī)整后進(jìn)行性能驗證。結(jié)果表明，獲得的優(yōu)化方案在滿足性能要求的前提下，實現(xiàn)了車門減重48.3%，完成了車門的輕量化設(shè)計。
優(yōu)化后模型局部鋪層如圖 11所示，優(yōu)化后具體鋪層表如表 3所示。
3.2 CFRP鋪層角度和鋪層厚度的尺寸優(yōu)化
CFRP的覆蓋區(qū)域確認(rèn)后，對CFRP的鋪層厚度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。CFRP通過膠粘接在鋁合金接頭上，粘膠的力學(xué)性能采用供應(yīng)商提供的實際參數(shù)。CFRP均采用單向帶，單向帶單層厚度0.2mm，各項力學(xué)性能采用供應(yīng)商提供的實際參數(shù)。
