CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)控制臂優(yōu)化設(shè)計(jì)

顧宗陽，蔣榮超?，劉大維，孫海霞

1) 青島大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，青島 266071 2) 海軍航空大學(xué)青島校區(qū)航空機(jī)械系，青島 266041

隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，新材料、新結(jié)構(gòu)和新工藝的使用受到了越來越多的關(guān)注.其中，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Carbon fiber reinforced plastics，CFRP）因其高強(qiáng)度、高模量的優(yōu)越性能在汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展中占據(jù)了重要地位[1?5]，國內(nèi)外學(xué)者針對CFRP在汽車上的應(yīng)用做了許多研究工作.秦溶蔓等[6]對纖維?陶瓷復(fù)合防彈板抗侵徹性能影響因素進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，通過采取增加陶瓷厚度、采用合適的黏合力參數(shù)等措施能夠提高其防護(hù)性能.陳光等[7]提出了一種CFRP?低碳鋼的十二直角薄壁梁保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)，通過等剛度替代得到了一系列的厚度方案，并通過碰撞仿真對方案進(jìn)行了篩選，使得保險(xiǎn)杠減重41.5%.劉越等[8]采用CFRP對懸架控制臂進(jìn)行了材料替換，并利用正交試驗(yàn)方法對碳纖維鋪層進(jìn)行了優(yōu)化，相較于鋼制控制臂，CFRP控制臂減重效果達(dá)到了48.32%.楊中磊等[9]提出了一種碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料?差厚鋼板(CFRP?TRB)超混雜汽車B柱結(jié)構(gòu)，在改善側(cè)碰耐撞性的同時，實(shí)現(xiàn)減重27.7%的效果.高云凱等[10]利用拓?fù)鋬?yōu)化方法對CFRP發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上對試制樣件進(jìn)行了性能分析，試驗(yàn)結(jié)果表明，CFRP發(fā)動機(jī)罩在性能提高了 10%的同時，質(zhì)量減輕了 46.56%.Yoo等[11]對CFRP汽車下控制臂（LCA）進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，與鋁合金制下控制臂相比，碳纖維復(fù)合材料控制臂減重效果達(dá)到了30%.Ma等[12]利用多目標(biāo)優(yōu)化方法對CFRP?鋁吸能盒進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，明顯改善了吸能性能，并降低了質(zhì)量.Liu等[13]對CFRP方管的穿孔參數(shù)進(jìn)行了多目標(biāo)優(yōu)化，大幅提高了CFRP方管的比吸能.

夾芯結(jié)構(gòu)通過多種材料的復(fù)合，從而充分發(fā)揮各自材料的優(yōu)點(diǎn)，近年來已成為航空航天、車輛工程等領(lǐng)域的研究熱點(diǎn).蘭鳳崇等[14]設(shè)計(jì)了一種泡沫鋁填充的分體式翻轉(zhuǎn)管吸能盒，在提高吸能量的同時，表現(xiàn)出了良好的穩(wěn)定性.程鵬等[15]對雙層泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)抗?jié)L石沖擊性能進(jìn)行研究，結(jié)果表明，當(dāng)上下兩層泡沫鋁的厚度之比為3∶2時，抗沖擊性能最好.干年妃等[16]對準(zhǔn)靜態(tài)壓縮載荷下CFRP?聚氨酯泡沫夾芯板的性能進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，夾芯結(jié)構(gòu)的比吸能要高于單獨(dú)使用CFRP或聚氨酯泡沫時的比吸能之和.崔岸等[17]針對汽車輕量化需求，設(shè)計(jì)了一種泡沫填充鋁合金波紋夾芯板結(jié)構(gòu)，并將其應(yīng)用在前車門外板上，提高了其抗撞性能.崔堯堯等[18]對泡沫鋁夾芯圓管橫向抗沖擊性能影響因素進(jìn)行了分析，研究發(fā)現(xiàn)，采用適當(dāng)?shù)耐獠考s束條件能夠提高其吸能特性.Wang等[19]提出了一種以褶皺板和泡沫鋁作為吸能器的連接結(jié)構(gòu)，并研究了褶皺板厚度、褶皺數(shù)量等對吸能特性的影響.Bragagnolo等[20]對泡沫鋁夾芯板的脫粘失效進(jìn)行了研究，結(jié)果表明具有粗糙泡沫結(jié)構(gòu)的夾芯板抗脫粘效果較好.Taherkhani[21]等提出了一種泡沫鋁本構(gòu)模型與胞元模型相結(jié)合的有限元模型，在保證模型準(zhǔn)確性的前提下，能夠大大減少仿真時間.Xin等[22]利用泡沫鋁與環(huán)氧樹脂之間的互滲制成了泡沫鋁?環(huán)氧樹脂夾芯板，相較于傳統(tǒng)夾芯板，泡沫鋁?環(huán)氧樹脂復(fù)合夾芯板吸能能力更強(qiáng).

汽車控制臂是懸架的重要導(dǎo)向、承載構(gòu)件[23]，為達(dá)到輕量化的設(shè)計(jì)目的，采用CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)作為控制臂本體，并結(jié)合鋁合金連接件設(shè)計(jì)一種新型控制臂.在此基礎(chǔ)上對CFRP鋪層形狀、鋪層數(shù)量和鋪層順序進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)懸架控制臂輕量化設(shè)計(jì).

1 泡沫鋁力學(xué)性能試驗(yàn)及仿真模型

1.1 泡沫鋁試件制備

通過線切割設(shè)備將泡沫鋁加工成邊長為50 mm的立方體，制備的試件如圖1所示.為獲得泡沫鋁的力學(xué)性能參數(shù)，需要進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)共選取5個試件.

圖1 泡沫鋁試件Fig.1 Aluminum foam specimen

1.2 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)

采用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，壓頭試驗(yàn)速度為 1 mm·s?1，并記錄壓縮力?位移曲線，試驗(yàn)過程如圖2所示，泡沫鋁應(yīng)力?應(yīng)變曲線結(jié)果如圖3所示，經(jīng)計(jì)算得到的泡沫鋁材料參數(shù)如表1所示.

表1 泡沫鋁力學(xué)性能參數(shù)Table 1 Mechanical property parameters of the aluminum foam

圖2 泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn).(a) 壓縮 0 mm; (b) 壓縮 20 mm; (c) 壓縮 30 mm; (d) 壓縮 40 mmFig.2 Quasi-static compression deformation process of the hexahedral cellular aluminum foam: (a) compression 0 mm; (b) compression 20 mm;(c) compression 30 mm; (d) compression 40 mm

圖3 泡沫鋁應(yīng)力?應(yīng)變曲線Fig.3 Stress–strain curve of the aluminum foam

試驗(yàn)結(jié)果表明，泡沫鋁材料屈服階段較長，在此階段內(nèi)泡沫鋁中的泡沫被擠壓破碎，并且伴有碎片脫落，而這也是泡沫鋁在變形過程中能吸收大量能量的原因，同時泡沫鋁的橫向變形遠(yuǎn)小于其縱向變形，橫截面的形狀基本不變，所以泡沫鋁的泊松比可認(rèn)為是0.

1.3 泡沫鋁六面體胞孔模型

采用六面體胞孔模型來模擬泡沫鋁微小孔洞結(jié)構(gòu)，建立 50 mm×50 mm×50 mm 的泡沫鋁片體有限元模型，設(shè)置片體厚度為0.04 mm，以保持仿真模型和試驗(yàn)樣件具有相同的孔隙率.準(zhǔn)靜態(tài)壓縮有限元仿真模型中，壓板與泡沫鋁之間的接觸設(shè)置為自動點(diǎn)面接觸，泡沫鋁片體設(shè)置內(nèi)部接觸.六面體胞孔泡沫鋁模型變形過程如圖4所示，仿真得到的曲線如圖5所示.可以看出，泡沫鋁應(yīng)力?應(yīng)變仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果基本一致，說明六面體胞孔模型能夠較好地模擬泡沫鋁的變形過程.

圖4 泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮變形過程.(a) 壓縮 0 mm; (b) 壓縮 20 mm; (c) 壓縮 30 mm; (d) 壓縮 40 mmFig.4 Quasi-static compression deformation process of the hexahedral cellular aluminum foam: (a) compression 0 mm; (b) compression 20 mm;(c) compression 30 mm; (d) compression 40 mm

圖5 泡沫鋁應(yīng)力-應(yīng)變曲線仿真與試驗(yàn)結(jié)果對比Fig.5 Comparison of the simulation and experimental results of the stress–strain curve of the aluminum foam

2 CFRP 力學(xué)性能試驗(yàn)

2.1 CFRP 試件制備

利用碳纖維復(fù)合材料單向預(yù)浸料，通過真空輔助成型工藝制備CFRP層合板，預(yù)浸料部分參數(shù)如表2所示，制備工藝如圖6所示.根據(jù)表3所示的試件尺寸，對層合板進(jìn)行裁剪，得到鋪層角度為0°和 90°的拉伸、壓縮試件，以及鋪層角度為 45°/?45°的面內(nèi)剪切試件.

表2 碳纖維單向預(yù)浸料參數(shù)Table 2 Parameters of the unidirectional carbon fiber prepreg

圖6 CFRP 層合板制備過程Fig.6 Preparation process of CFRP laminates

表3 試件尺寸Table 3 Specimen size

2.2 力學(xué)性能試驗(yàn)

利用電子萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)，其中拉伸試驗(yàn)參照ASTM D3039/D3039M-14標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)速度設(shè)置為 2 mm·min?1，壓縮試驗(yàn)參照 ASTM D6-641/D6641M-09 標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)速度設(shè)置為 1.3 mm·min?1，面內(nèi)剪切試驗(yàn)參照ASTM D3518/D3518M-13標(biāo)準(zhǔn)，試驗(yàn)速度設(shè)置為 2 mm·min?1，同時為防止夾具與試件之間產(chǎn)生相對滑動，試件兩端應(yīng)粘貼樹脂加強(qiáng)片，試件及試驗(yàn)過程如圖7所示，CFRP力學(xué)性能參數(shù)計(jì)算結(jié)果如表4所示.

圖7 CFRP 試件及試驗(yàn)過程.(a) 拉伸; (b) 壓縮Fig.7 CFRP specimen and test process: (a) tensile; (b) compression

表4 CFRP 力學(xué)性能參數(shù)Table 4 Mechanical properties of CFRP

3 夾芯結(jié)構(gòu)控制臂初始設(shè)計(jì)

3.1 鋼制控制臂有限元建模

利用殼單元對鋼制控制臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格尺寸設(shè)置為10 mm，控制臂的厚度設(shè)置為3.2 mm，建立有限元模型如圖8所示.

圖8 鋼制控制臂有限元模型Fig.8 Finite element model of the steel control arm

3.2 夾芯結(jié)構(gòu)控制臂初始設(shè)計(jì)

采用CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)作為控制臂本體，前點(diǎn)、后點(diǎn)與外點(diǎn)處采用鋁合金連接件.為保證與原鋼制控制臂性能一致，CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)控制臂的泡沫鋁夾芯厚度設(shè)計(jì)為30 mm，孔隙率為 55%，其屈服極限為 166.7 MPa ，CFRP 面板鋪層數(shù)量為4層，單層厚度0.4 mm，鋪層順序?yàn)?°/45°/?45°/90°.

金屬與復(fù)合材料之間的連接方式有膠接，機(jī)械連接、膠?螺混合連接三種，單獨(dú)采用機(jī)械連接的好處是拆裝方便，工藝簡單，但膠?螺混合連接的連接強(qiáng)度和疲勞壽命顯著強(qiáng)于其他連接形式[24?25].為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，采用膠?螺混合連接，在Hypermesh中設(shè)置膠粘類型為hemming，location選擇連接件內(nèi)表面，并利用RBE2單元模擬螺栓連接，建立夾芯結(jié)構(gòu)控制臂模型如圖9所示.

圖9 夾芯結(jié)構(gòu)控制臂模型Fig.9 Control arm model of the sandwich structure

3.3 控制臂初始性能分析

控制臂利用安裝在前點(diǎn)、后點(diǎn)的襯套，以及外點(diǎn)的球鉸將車輪與車身彈性地連接在一起，是懸架重要承載件，對其進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時，需考慮其強(qiáng)度、剛度和模態(tài)等性能.選取制動、轉(zhuǎn)向和最高車速三個典型工況進(jìn)行控制臂有限元強(qiáng)度分析，三種工況下控制臂外點(diǎn)、前點(diǎn)和后點(diǎn)載荷情況如表5所示.

表5 控制臂結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析載荷工況Table 5 Load conditions for the control arm structure strength analysis

對夾芯結(jié)構(gòu)控制臂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中CFRP面板與泡沫鋁夾芯采用四邊形網(wǎng)格，鋁合金連接件采用四面體網(wǎng)格，在對控制臂進(jìn)行性能分析時，剛度分析主要考慮縱向剛度和側(cè)向剛度，模態(tài)性能選取一階模態(tài)頻率作為評價(jià)指標(biāo)，仿真得到兩種控制臂性能，其中Steel-made、Initial分別代表鋼制控制臂和優(yōu)化前控制臂仿真結(jié)果，如表6所示，Optimized代表優(yōu)化后控制臂仿真結(jié)果.

表6 控制臂性能仿真結(jié)果Table 6 Simulation results of the control arm performance

經(jīng)過材料替代與結(jié)構(gòu)重新設(shè)計(jì)之后，控制臂的質(zhì)量下降了32.5%，最高車速工況下泡沫鋁夾芯處的最大應(yīng)力為225.6 MPa，超過了材料屈服極限，CFRP面板采用Tsai-Wu準(zhǔn)則校核其強(qiáng)度，失效系數(shù)為0.8，滿足強(qiáng)度要求，同時控制臂整體側(cè)向剛度有所下降，需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì).

4 夾芯結(jié)構(gòu)控制臂鋪層設(shè)計(jì)

由于CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)控制臂的CFRP面板鋪層優(yōu)化，主要包括自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和鋪層順序優(yōu)化三個部分.優(yōu)化過程中，應(yīng)盡量采用 0°、±45°、90°三種經(jīng)典鋪層角度，減小制造難度，節(jié)約制造成本；纖維取向盡量與主應(yīng)力方向一致，±45°鋪層應(yīng)該成對出現(xiàn)，并且同一方向的鋪層不能連續(xù)出現(xiàn)兩次.

4.1 自由尺寸優(yōu)化

為了得到每個鋪層角度對應(yīng)的鋪層形狀，需要對控制臂進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化.由于自由尺寸優(yōu)化只能減薄材料而不能增厚材料，首先建立鋪層角度分別為 0°、±45°、90°對稱的 4 個超級層，鋪層厚度設(shè)置為2 mm，自由尺寸優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)設(shè)置為加權(quán)柔度最小，約束設(shè)置為面板總質(zhì)量不超過CFRP面板初始總質(zhì)量的90%.

經(jīng)過3次迭代后，得到的厚度分布結(jié)果如圖10所示，同時得到了4個鋪層角度下的16個鋪層形狀，對其進(jìn)行規(guī)則化修正，結(jié)果如圖11所示，其中±45°鋪層結(jié)果相同.

圖10 自由尺寸優(yōu)化結(jié)果Fig.10 Free size optimization results

圖11 自由尺寸優(yōu)化修整結(jié)果.(a) 0°鋪層; (b) ±45°鋪層; (c) 90°鋪層Fig.11 Free size optimization results: (a) 0°ply; (b) ±45°ply; (c) 90°ply

4.2 尺寸優(yōu)化

為得到CFRP面板每個鋪層角度下的鋪層數(shù)量，需要對控制臂進(jìn)行尺寸優(yōu)化.自由尺寸優(yōu)化得到的鋪層厚度是不規(guī)則的，具有一定的制造難度，所以尺寸優(yōu)化時設(shè)置單層碳纖維布的可制造厚度為0.2 mm，并以碳纖維面板質(zhì)量不超過0.3 kg為約束，經(jīng)過優(yōu)化，確定CFRP面板鋪層數(shù)量為34層，其中 0°、90°鋪層各 12 層，±45°鋪層 5 層，此時CFRP面板質(zhì)量為0.29 kg.

4.3 鋪層順序優(yōu)化

為了充分發(fā)揮碳纖維材料的力學(xué)性能，使結(jié)構(gòu)剛度達(dá)到最大，在不改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量的前提下還需要進(jìn)行鋪層順序優(yōu)化，鋪層順序優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表示為：

其中，f(X)表示控制臂縱向與側(cè)向加權(quán)柔度，gi(X)表示鋪層順序優(yōu)化的約束條件，X表示鋪層順序方案，A表示所有鋪層方案的集合.

經(jīng)過11次迭代后得到了最佳的鋪層結(jié)果，第8～11次迭代結(jié)果如圖12所示，不同顏色代表不同角度，鋪層角度結(jié)果為：+45°/?45°/+45°/?45°/+45°/?45°/+45°/?45°/+45° /?45°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°/0°/0°/90°/90°.

圖12 CFRP 面板鋪層順序優(yōu)化結(jié)果Fig.12 Optimization results of the CFRP panel stacking sequence

4.4 結(jié)果分析

優(yōu)化后的CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)控制臂模型進(jìn)行有限元分析，性能計(jì)算結(jié)果見表6，控制臂質(zhì)量和縱向剛度變化如圖13所示.

由表6和圖13可看出，在強(qiáng)度方面，優(yōu)化后的夾芯結(jié)構(gòu)控制臂在制動與最高車速工況下的最大應(yīng)力明顯小于鋼制控制臂，最高車速下泡沫鋁夾芯處的最大應(yīng)力為151.2 MPa，安全系數(shù)為1.1，滿足強(qiáng)度要求，CFRP面板失效系數(shù)為0.81，滿足強(qiáng)度要求.從剛度角度看，與優(yōu)化前的控制臂相比，優(yōu)化后的夾芯結(jié)構(gòu)控制臂側(cè)向與縱向剛度有明顯提高，與鋼制控制臂比，縱向剛度提高了103.2%，側(cè)向剛度提高了27%.從模態(tài)角度看，夾芯結(jié)構(gòu)控制臂的第一階固有頻率較鋼制控制臂有較大幅度提高.從質(zhì)量方面看，經(jīng)過優(yōu)化和重新設(shè)計(jì)后的控制臂質(zhì)量為1.998 kg，相比鋼制控制臂減重26%，輕量化效果顯著.

圖13 控制臂質(zhì)量及縱向剛度變化Fig.13 Control arm mass and longitudinal stiffness change

5 結(jié)論

(1)開展了泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)，并利用六面體胞孔模型對泡沫鋁準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)過程進(jìn)行了模擬，通過對比試驗(yàn)與仿真結(jié)果驗(yàn)證了泡沫鋁模型的準(zhǔn)確性.

(2)通過CFRP力學(xué)性能試驗(yàn)獲取了CFRP材料參數(shù)，參考原鋼制鋼制控制臂設(shè)計(jì)了一種CFRP?泡沫鋁夾芯結(jié)構(gòu)的控制臂，通過有限元分析發(fā)現(xiàn)，夾芯結(jié)構(gòu)控制臂在變輕的同時剛度性能下降較大，需要進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì).

(3)對CFRP面板進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化與鋪層順序優(yōu)化，得到了CFRP面板的最佳鋪層順序與鋪層數(shù)量.優(yōu)化后的夾芯結(jié)構(gòu)控制臂結(jié)構(gòu)質(zhì)量為1.998 kg，相比鋼制控制臂減重26%，夾芯結(jié)構(gòu)控制臂的強(qiáng)度、剛度和模態(tài)性能都有所提高.