注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)*

李澤陽(yáng)，劉 釗，朱 平

（1. 上海交通大學(xué)，機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240；2. 上海交通大學(xué)設(shè)計(jì)學(xué)院，上海 200240）

前言

近年來(lái)，能源短缺和環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，汽車輕量化作為節(jié)能減排的有效手段之一受到越來(lái)越多的關(guān)注。采用輕質(zhì)高強(qiáng)的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是汽車輕量化設(shè)計(jì)的有效途徑。注塑成型短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有優(yōu)秀的輕量化性能、良好的設(shè)計(jì)自由度、生產(chǎn)效率高和制造成本低等優(yōu)勢(shì)，在汽車行業(yè)應(yīng)用廣泛。

對(duì)注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料而言，材料微觀結(jié)構(gòu)和產(chǎn)品的幾何形狀是在制造過(guò)程中同時(shí)形成的，具有材料-結(jié)構(gòu)一體化成型特點(diǎn)，相比以結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)為主的金屬或塑料產(chǎn)品，短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料產(chǎn)品可以進(jìn)行材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的并行設(shè)計(jì)，獲得優(yōu)化的材料和結(jié)構(gòu)組合，進(jìn)而深入挖掘產(chǎn)品的輕量化潛力。

目前，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包含兩類：一類以結(jié)構(gòu)尺寸和材料鋪層為設(shè)計(jì)對(duì)象，主要應(yīng)用在單向復(fù)合材料和二維編織復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，已經(jīng)比較成熟；另一類是以材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)共同作為設(shè)計(jì)對(duì)象的并行優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。Fu等采用代理模型技術(shù)和遺傳算法實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料增強(qiáng)板的材料和結(jié)構(gòu)并行優(yōu)化設(shè)計(jì)；Tao 等采用Kriging 模型和MPSO 算法優(yōu)化三維編織碳纖維翼子板的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)；盧家海等基于計(jì)算細(xì)觀力學(xué)模型預(yù)測(cè)三維機(jī)織碳纖維復(fù)合材料力學(xué)性能，優(yōu)化復(fù)合材料避震塔的材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了21.93%的輕量化效果?，F(xiàn)有研究主要以連續(xù)纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)為對(duì)象，面向注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的并行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究相對(duì)較少；此外，設(shè)計(jì)過(guò)程中須預(yù)測(cè)大量含有不同參數(shù)的材料性能，采用計(jì)算細(xì)觀力學(xué)方法工作量大、耗時(shí)長(zhǎng)，影響產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)效率，有必要提出短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程，在保證設(shè)計(jì)和分析效率的同時(shí)實(shí)現(xiàn)材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的同步優(yōu)化設(shè)計(jì)。

本研究中針對(duì)注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，考慮纖維分層分布特征提出材料分層模型，結(jié)合代理模型技術(shù)建立材料參數(shù)化本構(gòu)模型，分別以參數(shù)化本構(gòu)模型和MATLAB 自動(dòng)化程序更新材料性能和結(jié)構(gòu)仿真模型，結(jié)合Kriging 模型和群智能優(yōu)化算法，提出包含材料-結(jié)構(gòu)并行優(yōu)化的注塑短纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程，為同類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 材料參數(shù)化本構(gòu)模型的建立

1.1 材料分層模型

在注塑成型過(guò)程中，纖維在熔融基體中經(jīng)歷復(fù)雜的流動(dòng)過(guò)程，靠近模具表面處以剪切流動(dòng)為主，在模具中心處以拉伸流動(dòng)為主，如圖1 所示。纖維最終在材料表層和芯層內(nèi)分別形成了沿流動(dòng)方向和垂直于流動(dòng)方向的分布狀態(tài)。將纖維分布方向沿材料厚度逐漸變化的特征稱為分層，根據(jù)纖維分布方向差別將材料劃分為表層、芯層、表層。其中上下表層力學(xué)性能基本相似，而表層和芯層的力學(xué)性能存在顯著差別。

圖1 注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分層結(jié)構(gòu)與分層模型

為模擬由纖維分層分布造成的材料復(fù)雜力學(xué)性能，基于均勻化方法提出一種分層模型。圖1通過(guò)X射線計(jì)算機(jī)斷層掃描（Micro-CT）圖像展示了材料真實(shí)微觀結(jié)構(gòu)與提出的分層模型之間的關(guān)聯(lián)性。以3個(gè)均勻單層分別模擬材料的上下表層和芯層，結(jié)合對(duì)該材料細(xì)觀力學(xué)性能的研究，實(shí)現(xiàn)注塑短纖維復(fù)合材料宏觀力學(xué)性能的預(yù)測(cè)。在分層模型參數(shù)中，纖維取向主特征值和分別表示表層和芯層的纖維主方向，和表示表層和芯層的厚度，和分別表示材料中纖維含量和平均長(zhǎng)度。

在有限元軟件ABAQUS中采用連續(xù)體殼單元建立注塑短玻纖增強(qiáng)聚丙烯材料分層模型。在材料Micro-CT 圖像的芯層和表層分別隨機(jī)選取5個(gè)代表性區(qū)域，采用人工統(tǒng)計(jì)的方式在每個(gè)區(qū)域中隨機(jī)選擇和統(tǒng)計(jì)纖維的分布方向，保證每個(gè)測(cè)量樣本中包含不少于100個(gè)有效纖維數(shù)據(jù)，計(jì)算5組樣本的平均結(jié)果，得到材料中芯層和表層纖維主特征值分別為0.84和0.72。沿材料厚度方向均勻選擇20個(gè)測(cè)點(diǎn)，手動(dòng)統(tǒng)計(jì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)纖維的平均取向分布狀態(tài)，確保每個(gè)點(diǎn)包含50 個(gè)有效纖維數(shù)據(jù)，考慮上下表層的對(duì)稱性，只統(tǒng)計(jì)芯層到單側(cè)表層的結(jié)果。據(jù)此得到纖維取向沿材料厚度方向的變化趨勢(shì)，如圖2 所示。以取向張量分量和曲線的交點(diǎn)作為分層位置，計(jì)算得到材料樣本的芯層和表層厚度分別為0.47和1.18 mm。根據(jù)供應(yīng)商提供的數(shù)據(jù)，材料中玻璃纖維體積分?jǐn)?shù)為20%。采用燒結(jié)法處理材料樣本并統(tǒng)計(jì)不少于1 000根纖維的長(zhǎng)度值，得到材料中纖維平均長(zhǎng)度為0.8 mm?；谧髡呦惹暗难芯抗ぷ鹘⒉牧献映绦蚰M各層力學(xué)性能，比較分層模型的分析結(jié)果和材料力學(xué)試驗(yàn)得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線結(jié)果，如圖3 所示，其中0°方向表示材料流動(dòng)方向，90°方向表示材料平面內(nèi)垂直于流動(dòng)方向。結(jié)果表明，分層模型可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)注塑短纖維復(fù)合材料的宏觀力學(xué)性能。

圖2 纖維取向沿材料厚度方向分布變化趨勢(shì)

圖3 分層模型與材料力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

1.2 材料參數(shù)化本構(gòu)模型

基于經(jīng)驗(yàn)證的分層模型，選取多組參數(shù)組合，通過(guò)仿真分析預(yù)測(cè)相應(yīng)材料性能，建立材料分層參數(shù)與力學(xué)性能的代理模型，即可高效地獲取不同材料參數(shù)下的力學(xué)響應(yīng)。

本文中針對(duì)注塑短玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料展開(kāi)研究，選取、、、和共5 個(gè)參數(shù)，其中=2，是表層厚度與芯層厚度比值。材料參數(shù)變化范圍如表1 所示。分析40 組材料參數(shù)組合，基于Kriging 模型建立材料參數(shù)與性能關(guān)系，結(jié)果如圖4所示，其中1和2分別代表0°和90°方向。

圖4 材料參數(shù)與材料性能關(guān)系

表1 材料參數(shù)變化范圍

建立材料參數(shù)化正交各向異性剛度模型和Tsai-Wu 強(qiáng)度準(zhǔn)則，如式（1）～式（4）所示。式中：C代表剛度系數(shù)；F和F代表強(qiáng)度系數(shù)；和代表0°方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度；和代表90°方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度；為材料平面內(nèi)的剪切強(qiáng)度。將參數(shù)化本構(gòu)模型寫成材料自定義程序VUmat，用于后續(xù)結(jié)構(gòu)分析。

式（3）中各系數(shù)表示如下：

2 汽車尾門內(nèi)板性能預(yù)測(cè)與驗(yàn)證

2.1 材料參數(shù)提取和映射

對(duì)于注塑復(fù)合材料結(jié)構(gòu)而言，材料參數(shù)和性能受到工藝和結(jié)構(gòu)幾何形狀的影響，在結(jié)構(gòu)的不同部位存在一定程度的波動(dòng)性。本節(jié)中針對(duì)這種波動(dòng)性特征，提出注塑短纖維復(fù)合材料參數(shù)映射方法，為提升復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析精度提供支撐。

在注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中，纖維含量和平均長(zhǎng)度可以通過(guò)粒料規(guī)格進(jìn)行控制，纖維取向和分層厚度則可以利用MoldFlowInsight 軟件進(jìn)行模流分析得到。纖維取向和分層厚度參數(shù)提取方法如圖5所示。基于模流分析結(jié)果插值得到纖維取向張量第一和第二特征值沿厚度方向的變化曲線，兩條曲線相交處就是纖維主方向轉(zhuǎn)變點(diǎn)，以此作為分層邊界可以獲取分層厚度，計(jì)算每個(gè)分層內(nèi)纖維主特征值平均值即可得到該層纖維取向主特征值。

圖5 纖維分層取向和分層厚度參數(shù)提取方法

在進(jìn)行注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析前，須基于模流分析結(jié)果進(jìn)行材料參數(shù)映射，建立纖維分布狀態(tài)與結(jié)構(gòu)分析模型的對(duì)應(yīng)關(guān)系。所提出的映射流程如圖6 所示。首先，根據(jù)空間坐標(biāo)建立模流網(wǎng)格和結(jié)構(gòu)分析網(wǎng)格的節(jié)點(diǎn)對(duì)應(yīng)關(guān)系，然后提取該點(diǎn)的材料分層參數(shù)，基于建立的參數(shù)化本構(gòu)模型快速預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)本構(gòu)參數(shù)，依次對(duì)所有網(wǎng)格完成映射，最終寫出結(jié)構(gòu)分析模型文件。經(jīng)過(guò)材料參數(shù)映射過(guò)程，注塑工藝造成的材料性能在結(jié)構(gòu)不同部位的波動(dòng)性可以被有效考慮，進(jìn)而提升結(jié)構(gòu)分析模型的計(jì)算精度。

圖6 材料參數(shù)映射流程

2.2 尾門內(nèi)板仿真與實(shí)驗(yàn)研究

基于所提出的參數(shù)化本構(gòu)模型和材料參數(shù)映射方法，對(duì)某型汽車注塑短玻纖增強(qiáng)聚丙烯復(fù)合材料尾門內(nèi)板進(jìn)行仿真分析和實(shí)驗(yàn)研究。尾門內(nèi)板中纖維體積分?jǐn)?shù)為20%，纖維平均長(zhǎng)度為0.8 mm。復(fù)合材料尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)如圖7（a）所示，包括尾門內(nèi)板主體結(jié)構(gòu)、門柱兩側(cè)金屬加強(qiáng)件和4 處鉸鏈點(diǎn)。分析和實(shí)驗(yàn)工況如圖7（b）和圖7（d）所示，包括尾門內(nèi)板自由模態(tài)、側(cè)壓強(qiáng)度工況和正壓強(qiáng)度工況。

圖7 復(fù)合材料尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)和工況示意圖

各工況分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比如圖8 所示。從圖8（a）可見(jiàn)，尾門內(nèi)板第1和2階模態(tài)頻率分析結(jié)果與模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合良好。圖8（b）和圖8（c）為尾門內(nèi)板強(qiáng)度指標(biāo)分布云圖，強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算公式為

式中：為式（3）給出的函數(shù)；σ和σ分別為材料初始損傷和當(dāng)前的應(yīng)力張量，從材料初始損傷到最終失效，其強(qiáng)度指標(biāo)從0 增加到1。由圖8（b）可見(jiàn)，側(cè)壓工況中仿真模型預(yù)測(cè)到在尾門內(nèi)板上部橫梁孔洞、側(cè)門柱加強(qiáng)筋和加載點(diǎn)平面存在危險(xiǎn)點(diǎn)，臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中在上橫梁孔洞處觀測(cè)到顯著開(kāi)裂；由圖8（c）可見(jiàn)，正壓工況中預(yù)測(cè)到在加載點(diǎn)附近、兩側(cè)筋板和底部拉手處存在危險(xiǎn)點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中在加載點(diǎn)和底部拉手處均觀測(cè)到顯著裂紋。

圖8 尾門內(nèi)板各工況分析與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于傳統(tǒng)分析方法而言，只考慮材料方向的變化而不考慮材料性能的波動(dòng)性，本研究同時(shí)考慮材料方向變化和性能波動(dòng)，對(duì)比尾門內(nèi)板臺(tái)架實(shí)驗(yàn)和兩種方法的力-位移曲線分析結(jié)果如圖9 所示。由圖可見(jiàn)，在側(cè)壓和彎曲兩個(gè)工況中，根據(jù)傳統(tǒng)方法得到的力-位移曲線比臺(tái)架實(shí)驗(yàn)曲線均偏高，說(shuō)明傳統(tǒng)方法高估了結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)；本研究方法預(yù)測(cè)的曲線更貼近實(shí)驗(yàn)曲線，且在正壓工況中，本文方法預(yù)測(cè)的失效點(diǎn)變形量相比傳統(tǒng)方法的預(yù)測(cè)結(jié)果也更加接近實(shí)際的變形量。側(cè)壓和正壓工況的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本研究方法總體而言具有更高的精度，說(shuō)明考慮材料性能的波動(dòng)性可更為精確地預(yù)測(cè)注塑短纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)。

圖9 尾門內(nèi)板側(cè)壓和正壓工況力-位移曲線

尾門內(nèi)板仿真和臺(tái)架實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，本文提出的基于纖維分層分布的材料參數(shù)化本構(gòu)模型對(duì)于預(yù)測(cè)注塑短纖維復(fù)合材料及其結(jié)構(gòu)的力學(xué)響應(yīng)具有較高的精度，可以作為后續(xù)注塑短纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究的材料輸入。

3 注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)

3.1 優(yōu)化問(wèn)題定義

為實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)，將最小化尾門內(nèi)板質(zhì)量設(shè)定為優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化過(guò)程同時(shí)考慮材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)，對(duì)于材料參數(shù)，纖維取向和分層厚度由工藝決定，纖維平均長(zhǎng)度和纖維含量可以通過(guò)粒料規(guī)格進(jìn)行控制，因此選擇和作為材料級(jí)優(yōu)化變量；對(duì)于結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)初始結(jié)構(gòu)分析中預(yù)測(cè)的危險(xiǎn)點(diǎn)所在區(qū)域，劃分出5 個(gè)板厚變量作為結(jié)構(gòu)級(jí)優(yōu)化變量，如圖10所示。

圖10 尾門內(nèi)板板厚優(yōu)化變量

短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)問(wèn)題可表述為

式中：和為材料級(jí)設(shè)計(jì)變量；～為結(jié)構(gòu)級(jí)設(shè)計(jì)變量；和分別為尾門內(nèi)板側(cè)壓剛度和可承受的最大側(cè)壓載荷；和分別為尾門內(nèi)板正壓剛度和可承受的最大正壓載荷；為尾門內(nèi)板1 階模態(tài)頻率；上標(biāo)c 代表約束工況臨界值，由尾門內(nèi)板的設(shè)計(jì)要求給出。各設(shè)計(jì)變量變化范圍由材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)的可變范圍以及注塑工藝能力綜合決定。

3.2 輕量化設(shè)計(jì)流程

針對(duì)上述優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，基于本文提出的材料參數(shù)化本構(gòu)模型和材料參數(shù)映射方法，結(jié)合Kriging模型和群智能優(yōu)化算法，提出注塑短纖維復(fù)合材料汽車尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)流程，如圖11 所示，其具體步驟如下。

圖11 注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料汽車尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)流程

（1）采用最優(yōu)拉丁超立方對(duì)所有設(shè)計(jì)變量進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，生成70 個(gè)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)樣本點(diǎn)，其中56 個(gè)為訓(xùn)練樣本點(diǎn)，14個(gè)為測(cè)試樣本點(diǎn)。

（2）針對(duì)每個(gè)樣本點(diǎn)的材料級(jí)設(shè)計(jì)變量，基于建立的材料參數(shù)化本構(gòu)模型預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)材料性能，該過(guò)程避免重新進(jìn)行材料實(shí)驗(yàn)或建立材料模型分析材料性能，節(jié)約了大量時(shí)間和分析成本，能有效提升整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的效率。

（3）基于尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)的初始設(shè)計(jì)模型，根據(jù)樣本點(diǎn)結(jié)構(gòu)級(jí)設(shè)計(jì)參數(shù)，修改尾門內(nèi)板板厚，由于該過(guò)程須進(jìn)行大量尾門內(nèi)板有限元模型的重建，故本文采用MATLAB 程序?qū)崿F(xiàn)該過(guò)程，顯著提升了建模效率。

（4）對(duì)重建的尾門內(nèi)板有限元模型，采用有限元求解軟件ABAQUS 進(jìn)行尾門內(nèi)板多工況性能分析，通過(guò)后處理求取各項(xiàng)響應(yīng)指標(biāo)，包括尾門1 階模態(tài)頻率、側(cè)壓剛度與強(qiáng)度、正壓剛度與強(qiáng)度和尾門質(zhì)量。

（5）基于Kriging 代理模型建立設(shè)計(jì)變量和結(jié)構(gòu)響應(yīng)的關(guān)系，通過(guò)決定系數(shù)指標(biāo)評(píng)價(jià)建模精度，結(jié)果如表2 所示。一般認(rèn)為＞0.9 時(shí)代理模型具有足夠的精度，本研究各工況響應(yīng)的代理模型值均不低于0.92，說(shuō)明代理模型的精度滿足要求。

表2 Kriging模型交叉驗(yàn)證結(jié)果

（6）采用粒子群智能優(yōu)化算法進(jìn)行全局尋優(yōu)，考慮到本研究的優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題具有多個(gè)約束，因此選擇一種考慮約束邊界搜索的改進(jìn)粒子群優(yōu)化算法，針對(duì)資源限制下最優(yōu)解常處于約束邊界的工程優(yōu)化設(shè)計(jì)問(wèn)題，該算法具有較強(qiáng)的尋優(yōu)能力。

（7）對(duì)優(yōu)化后的復(fù)合材料尾門內(nèi)板進(jìn)行有限元分析，驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的可行性和有效性。

3.3 優(yōu)化結(jié)果及其驗(yàn)證

短玻纖增強(qiáng)復(fù)合材料尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果如表3 所示。其中纖維平均長(zhǎng)度（）優(yōu)化結(jié)果為1.99 mm，說(shuō)明在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)纖維平均長(zhǎng)度越長(zhǎng)越有利于提升結(jié)構(gòu)輕量化程度，這是因?yàn)槔w維長(zhǎng)度的增加提升了材料性能和輕量化水平；纖維體積分?jǐn)?shù)略有下降，這是因?yàn)槔w維體積分?jǐn)?shù)的選擇本質(zhì)上是材料力學(xué)性能和輕量化性能的博弈，優(yōu)化結(jié)果是兩者達(dá)成的平衡；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化體現(xiàn)在危險(xiǎn)區(qū)域的板厚（～）均有不同程度增加，其它區(qū)域的板厚（）略有減小。尾門內(nèi)板質(zhì)量由優(yōu)化前的7.6 kg 減小為優(yōu)化后的6.8 kg，減質(zhì)量10.5%，輕量化效果令人滿意。

表3 復(fù)合材料汽車尾門內(nèi)板輕量化設(shè)計(jì)結(jié)果

采用仿真分析對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證如圖12 所示。其中圖12（a）為1 階模態(tài)振型，圖12（b）和圖12（c）分別為側(cè)壓和正壓強(qiáng)度指標(biāo)分布云圖，各工況響應(yīng)見(jiàn)表4。側(cè)壓和正壓工況剛度和強(qiáng)度均有不同程度提升，1 階模態(tài)頻率略有下降，各工況響應(yīng)分析結(jié)果均滿足設(shè)計(jì)要求，證明優(yōu)化結(jié)果在當(dāng)前的設(shè)計(jì)要求下有效且合理。

圖12 優(yōu)化結(jié)果仿真分析

表4 優(yōu)化前后各工況響應(yīng)對(duì)比

4 結(jié)論

為提升注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)輕量化水平，建立了材料參數(shù)化本構(gòu)模型，提出材料參數(shù)提取和映射方法，針對(duì)某型號(hào)汽車復(fù)合材料尾門內(nèi)板建立考慮材料和結(jié)構(gòu)參數(shù)并行優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)流程，得出主要結(jié)論如下。

（1）基于材料分層模型建立了注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料參數(shù)化本構(gòu)模型，通過(guò)改變材料分層參數(shù)，可以快速預(yù)測(cè)對(duì)應(yīng)的材料性能，有效提升結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程的分析效率。

（2）提出注塑短纖維增強(qiáng)復(fù)合材料參數(shù)提取和映射方法，考慮了纖維分布和材料性能在注塑成型結(jié)構(gòu)上的波動(dòng)性，進(jìn)而有效提升了結(jié)構(gòu)分析的精度。

（3）提出了注塑短纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)流程，實(shí)現(xiàn)材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)的并行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將該流程應(yīng)用到某型號(hào)汽車尾門內(nèi)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，實(shí)現(xiàn)減質(zhì)量10.5%，為提升同類復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的輕量化水平提供了借鑒。