复合材料发动机罩的刚度优化设计

【摘要】发动机罩是车身外覆盖件中的重要部件。其外部造型设计主要考虑整车造型和空气动力学要求。作为外覆盖件，发动机罩不承载载荷，发动机罩的结构设计主要有刚度和轻量化要求，如今又增加了行人碰撞保护要求。夹芯结构在其它构件，尤其是在保险杠的应用中，已经显示出了同时兼顾刚度和轻量化及碰撞吸能要求的能力。夹芯板结构是典型的轻质高刚结构。作为夹芯板面板的碳纤维复合材料，相较其它常见材料，刚度更高密度更低，可以在保证刚度的同时，进一步实现轻量化。夹芯板中的夹芯在碰撞时可以吸能，以弥补轻量化后发动机罩动能转化不足。因此碳纤维夹芯板结构是一种在同时满足刚度、轻量化和行人碰撞保护方面非常有潜力的新型发动机罩结构。本文研究这种结构的性质，以钢制传统结构发动机罩为对比，对刚度和质量进行优化。对发动机罩进行优化，首先应确定发动机罩的评价体系，然后才可以选取一些评价指标作为优化目标和约束。当前对发动机罩静刚度的评价方法种类较多，因此需要对这些方法进行分析筛选和总结。当前有11种评价方法。选用钢制发动机罩、使用准各项同性铺层和一般各向异性铺层为面板的碳纤维发动机罩，共14个模型作为样本，使用这些评价方法计算，对计算结果回归分析，找出评价方法之间的关系，归类并筛选，得到4种静刚度评价方法，分别为弯曲载荷刚度，扭转载荷刚度，砰击载荷刚度和锁闩载荷刚度，确定了发动机罩静刚度评价体系。发动机罩的实际构造与理论中的夹芯板有一定区别。在初始设计的碳纤维发动机罩中，边框质量占整体的40%，而夹芯板理论中没有考虑边框的作用，因此使用实验设计，分析边框减重措施对整体刚度的影响。对边框采用改变结构和减薄壁厚两种方法减重。以边框结构、边框厚度、面板铺层组数作为因子，将4个静刚度指标作为响应，设计全因子实验，进行方差分析，得到各响应与各因子之间的关系。结果显示，同时使用两种减重措施，将使刚度有轻微的下降，但减重效果明显，因此选用质量最轻的边框，作为后续设计的基础。根据前述的静刚度计算结果，及14个模型的模态分析，发现碳纤维发动机罩相较钢制发动机罩刚度性能过剩，可以进一步轻量化。由于刚度和碰撞保护性能有一定的耦合，所以本文的优化为指定一个刚度作为约束，在这个刚度的基础上轻量化。使用遗传算法优化，以面板使用的铺层数量最少作为优化目标。针对铺层数量的优化，模仿生物遗传中的mRNA转录环节，提出了一种改进的遗传算法。通过abaqus软件计算简化模型，得到设计变量与优化目标值的函数关系。最终使用isight软件，调用各种软件，实现算法运行。优化结果与优化原型相比，铺层数量减少25%，证明了该改进算法有效。优化后的碳纤维发动机罩，相较刚度加强的钢制发动机罩，整体刚度提高1.5倍以上，相较轻量化的钢制发动机罩，减重50.8%。证明了该结构在刚度和轻量化方面的优点和潜力。而且利用改进的遗传算法，可在指定刚度的基础上，得到质量最轻的设计，可以以此为基础，设计满足行人碰撞保护的发动机罩。
【作者】李世春；
【导师】杨世文；金达锋；
【作者基本信息】中北大学，车辆工程，2014，硕士
【关键词】发动机罩；轻量化；回归分析；实验设计；遗传算法；

【参考文献】
[1]张文义,关伟,樊玲玲,马继辉,毛保华.多模式交通网络路径动态调整模型[J].交通运输系统工程与信息,2014,03:126-130.
[2]龙威,旷湘平.2011年天原杯化学竞赛试题透析与启示[J].数理化学习(初中版),2011,12:53-58.
[3]张冉冉.盛开在生命悬崖边的白莲花[D].河北师范大学,中国现当代文学,2013,硕士.
[4]梁蕊.对异文化非语言交际的探究[D].西北大学,日语语言文学,2013,硕士.
[5]刘洁.浅析具象表现绘画的精神表达[D].河北师范大学,美术,2014,硕士.
[6]贺红风.美国“教师教育资助项目”研究[D].西南大学,比较教育学,2013,硕士.
[7]杨丽丽.铜胁迫对甜菜幼苗生长和光合特性的影响[D].山东师范大学,植物学,2013,硕士.
[8]李晓良,刘文涛,张家良,王学力.大港油田南部油区储层伤害及治理[J].石油地球物理勘探,2006,S1:109-114+142+148.
[9]索南卓玛.略谈藏族分裂割据时期的传记文学[D].西藏大学,藏语言文学,2014,硕士.
[10]全威.锂离子电池SiO负极材料的研究进展[J].内蒙古科技与经济,2013,09:86-89.
[11]索宝丽.基于虚拟技术的液压综合实验台的研究与应用[D].山东大学,机械工程（专业学位）,2012,硕士.
[12]岳廷明,王金海,王慧泉.融合加速度信息的动态心电EMD滤波算法[J].计算机工程与应用.
[13]李迪.非融合双靶点重组TK-IRES-Tum5腺相关病毒构建及体外实验研究[D].第四军医大学,外科学,2014,硕士.
[14]赵肖敏.基于模糊神经网络的带式输送机故障诊断研究[D].太原科技大学,机械设计及理论,2013,硕士.
[15]王凯润.大发供热公司营销系统整合项目规划管理研究[D].吉林大学,工业工程,2013,硕士.
[16]徐剑华.基于风险管理视角下我国股票市场泡沫研究[D].云南师范大学,金融学,2013,硕士.
[17]刘华富.一种快速支持向量机分类算法[J].长沙大学学报,2004,04:40-41.
[18]郑丽芳.地域文化符号在陕西文化旅游景观设计中的应用研究[D].陕西科技大学,设计艺术学,2013,硕士.
[19]高学华.中学化学探究性实验设计[D].曲阜师范大学,课程与教学论,2004,硕士.
[20]孙小咪.吴江市餐具消毒现状调查及干预效果研究[D].苏州大学,公共卫生（专业学位）,2012,硕士.
[21]胥小武.通信基站环境监控系统的设计与软件实现[D].西南交通大学,控制理论与控制工程,2014,硕士.
[22]王斌.试论广电网络企业信息化建设[J].广播与电视技术.2004(03)
[23]单凯.诸城市“集聚式”农村社区化发展对策研究[D].江西农业大学,农村与区域发展,2012,硕士.
[24]刘汉斌.广东省海洋渔业资源深加工产业研究[D].广东海洋大学,农业经济管理,2013,硕士.
[25]聂娜.公路行业债务风险管理研究[D].长安大学,企业管理,2013,硕士.
[26]陶其阳.微波辐射对红壤的渗沥液污染修复实验研究[D].华中科技大学,生态学,2013,硕士.
[27]李士金.基于电子商务的保险公司运行模式研究[D].辽宁工程技术大学,企业管理,2004,硕士.
[28]孙剑,张杰.激光平坦度仪信号检测与处理系统的分析与改进[J].冶金自动化,2006,03:67.
[29]刘翔.我国上市公司价值成长机理与应用研究[D].合肥工业大学,管理科学与工程,2004,硕士.
[30]翁翔彬.大规模反渗透海水淡化故障诊断专家系统的研究[D].杭州电子科技大学,系统工程,2014,硕士.
[31]韩霄.钢铁企业远程无人值守计量与监控系统设计与研发[D].燕山大学,计算机技术,2012,硕士.
[32]何庆中.多信息集成与融合技术在辊底式加热炉钢板温度监测系统中的应用研究[D].重庆大学,机械电子工程,2003,硕士.
[33]李国峰,邹鹏,陈涛.产品伤害危机管理对品牌声誉与品牌忠诚关系的影响研究[J].中国软科学,2008,01:108-115+134.
[34]万亿.增强现实在智能手机交互设计上的应用研究[D].北方工业大学,设计艺术学,2014,硕士.
[35]王丽丽.基于嵌入式Linux智能家居监控系统的设计[D].哈尔滨理工大学,通信与信息系统,2012,硕士.
[36]纪琳辉.“337调查”中专利侵权的抗辩分析[D].兰州大学,知识产权（专业学位）,2013,硕士.
[37]李成林,王文瑞.转炉过程控制计算机系统与应用[J].冶金自动化,2007,06:34-38.
[38]高建.诺如病毒GⅡ.4型Hunter504D株P粒子的表达，表征及免疫原性研究[D].吉林大学,制药工程,2013,硕士.
[39]高南林.上海A房地产集团诊断分析及变革对策[D].对外经济贸易大学,2005.
[40]姜杨阳.基于传感器网络的分布式信源编码研究[D].哈尔滨工业大学,信息与通信工程,2013,硕士.
[41]杜宏伟.全自动智能电解质分析仪的设计研究[D].江苏科技大学,电子与通信工程,2013,硕士.
[42]林孝德.MIS数据流图的设计和优化[J].冶金自动化,1996,06:9-12.
[43]尹龙飞.法国共产党新共产主义理论研究[D].河北师范大学,国际政治,2013,硕士.
[44]杨倩倩.《美味的汉语》与《新攻略 汉语》比较分析[D].东北师范大学,语言学及应用语言学,2012,硕士.
[45]刘斌.基于USSD的移动小额支付系统研究与实现[D].电子科技大学,软件工程（专业学位）,2012,硕士.
[46]陈婉莹.中重度上睑下垂的诊断和治疗进展[D].吉林大学,整形外科学,2014,硕士.
[47]姚培.高频轮轨力测量方法研究[D].西南交通大学,精密仪器及机械,2014,硕士.
[48]彭翠.反倾销应诉的会计实务研究[D].中南林业科技大学,企业管理,2014,硕士.
[49]宣晓东.托普集团软件项目团队管理研究[D].大连理工大学,工商管理,2004,硕士.
[50]曹务祥,孙哲,刘丽丽.高保真可控震源采集能量分析[J].石油地球物理勘探,2011,04:535-537+667+493.