车用CFRP油底壳的结构与制造工艺并行优化设计

2020-11-25白翠平马其华周天俊

工程设计学报 2020年5期

白翠平，马其华，周天俊

（1.上海工程技术大学机械与汽车工程学院，上海201620；2.东华大学高性能纤维及制品教育部重点实验室，上海201620；3.东华大学纤维材料改性国家重点实验室，上海201620）

采用轻量化材料是实现汽车轻量化的重要手段之一。碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced polymer，CFRP）具有高强度、高刚度、良好的耐蚀性及较强的可设计性等特点，受到了国内外学者的广泛关注。CFRP的力学性能呈各向异性，这与其微观组成和铺层方式密切相关。许多学者针对CFRP的铺层优化做了大量研究。例如：Riche等［1］基于改进遗传算法有效缩短了纤维增强复合材料（fiber reinforced polymer，FRP）铺层顺序优化的计算时间，提高了计算效率；Liu等［2］针对多工况多设计变量的研究对象，提出了结合Kriging代理模型和修正粒子群优化（particle swarm optimization，PSO）算法的汽车复合保险杠结构轻量化设计方法；胡仁祥［3］对不同汽车零部件采用不同的优化方法，采用Hyperworks软件中的Optistruct模块对CFRP汽车蓄电池箱壳体进行铺层的自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化（下文简称为三步优化），同时采用多阶段优化方法对CFRP汽车悬架摆臂进行整体拓扑优化、层组尺寸优化和铺层顺序优化，结果表明2种优化方法的轻量化效果明显，优化效果较好；肖志等［4］、马芳武等［5］、张大鹏等［6］采用Optistruct模块分别对CFRP汽车的顶盖、B柱加强板以及前端结构进行了铺层优化，且在优化设计过程中考虑了相关的制造约束；戚振杰等［7］采用三步优化法对CFRP汽车后背门进行了铺层优化，不同的是他们在自由尺寸优化后进一步考虑了实际加工问题，对CFRP汽车后背门的铺层结构进行了手动裁剪；Ma等［8］基于汽车金属后背门的结构性能，对CFRP后背门进行了拓扑优化，并结合铺层原理，对CFRP后背门进行了复合材料结构设计与建模，结合考虑单铺层厚度的制造约束，利用三步优化法得到了CFRP后背门的设计方案。综上所述，在复合材料的铺层优化设计中，三步优化法的应用较为广泛，其研究对象主要为薄壁件；此外，在复合材料的铺层优化设计阶段，学者们越来越重视材料制造工艺的约束。

传统材料零部件的设计与制造过程是一种接续式生产过程，强调两者间的紧密衔接。而复合材料零部件的设计更强调结构设计与制造工艺设计并行展开［9］。所谓并行设计，是一种在产品生产的各个阶段开展并行、集成设计的系统化工作模式，其广泛应用于航空航天、计算机及机械等众多领域。Xie等［10］提出了基于互联网的制造设计和成本设计系统，实现了快速、经济的模具制造模式；曾庆良等［11］基于并行工程理念，同步开展产品的设计和成本评估，力求在满足产品设计要求的同时降低产品成本；赵果等［12］以特征为基本单元计算成本，建立了并行设计过程中注塑件的成本估算模型，并提出了降低产品成本的设计方法。由此可知，在设计过程中将结构优化和制造工艺优化相结合，对复合材料产品的设计具有重要意义。

近年来，已有不少学者针对CFRP汽车零部件展开了优化设计与分析，但结合CFRP零部件成型特点的结构和制造工艺并行设计鲜有人研究。本文以汽车油底壳为研究对象，提出CFRP油底壳的结构与制造工艺并行优化设计思路：基于CFRP壳体类零件成型工艺特点与油底壳基本性能要求，对CFRP油底壳进行结构设计，同时采用三步优化法对CFRP油底壳进行铺层结构优化设计［13］，并以制造工艺要求为基础调整其铺设边界尺寸，以满足CFRP油底壳性能和制造工艺的多目标要求，具体流程如图1所示。

图1 CFRP油底壳的结构和制造工艺并行优化设计流程Fig.1 Concurred optimal design flow of structure and manufacturing process of CFRP oil pan

1 金属油底壳有限元仿真分析

1.1 有限元模型的建立与验证

以某型汽车发动机的油底壳为研究对象，在Hypeworks软件中建立其有限元模型，并在不影响有限元模型计算精度的条件下，对其进行简化处理。采用大小为4 mm×4 mm的二维单元对油底壳三维模型进行网格划分，得到油底壳有限元模型的节点总数为32 160个，单元总数为32 662个，其中CTRIA3单元的数量为229个，所占比例为0.70%，满足分析要求。金属油底壳由钢板冲压制成，所用钢的弹性模量为200 GPa，泊松比为0.31，密度为 7 800 kg/m3。

为验证有限元模型的准确性，对金属油底壳的自由模态进行仿真和试验分析，并对比各阶自由模态的固有频率，结果如表1所示。由表1可以看出，仿真结果与试验结果基本吻合，误差不超过8%，满足精度要求，验证了有限元模型的准确性。此外，由标准工况（转速为2 200 r/min）下的发动机整机振动试验可知，其侧面中心测点垂直方向、水平方向以及活塞运动方向的振动能量集中在200 Hz附近及400～600 Hz范围内。在发动机宽频激振力的作用下，金属油底壳易产生共振，从而导致油底壳辐射出噪声。因此，为避免发动机油底壳因共振而产生较大的噪声，即实现油底壳的减振降噪，需调整与上述频率对应的油底壳各阶约束模态的固有频率，以改善其动态特性。

表1 金属油底壳各阶自由模态固有频率的仿真值与试验值对比Table 1 Comparison of simulated and experimental value of natural frequency of each free mode of metal oil pan

1.2 不同工况下金属油底壳仿真分析

为实现后续替换油底壳材料的设计目标，通过仿真分析获取内压与约束模态两种工况下金属油底壳的性能。设置内压工况是考虑到金属油底壳在正常工况下承载了一定压力，其需具备抵抗变形和破坏的能力，这也是CFRP油底壳的基本设计要求。在内压工况下，若油底壳最大应力大于材料的拉伸强度极限，则需对其进行应力分散处理，即对油底壳进行结构改进。为避免油底壳随整车工作时产生共振，需按照安装条件分析其约束模态。

图2（a）为2种工况下金属油底壳的约束位置（H1至H16），即油底壳与发动机的连接螺栓孔处，约束螺栓孔处x、y、z方向上位移和旋转的自由度；图2（b）为内压工况下金属油底壳的加载位置，即在油底壳侧面与底面上施加大小为0.035 MPa的均匀载荷［14］。将金属油底壳三维模型导入Hyperworks软件中，分别施加2种工况所要求的约束和载荷，并采用Optistruct模块进行静、动力学分析，结果如图3和图4所示。由图3（a）可知，金属油底壳承受的最大内压为0.035 MPa，最大Von-Mises等效应力出现在其侧面，为140.8 MPa，低于材料的拉伸强度极限270 MPa；由图3（b）可知，最大位移主要出现在金属油底壳两侧，为0.54 mm。将上述结果作为CFRP油底壳结构设计时的性能标准。图4所示为金属油底壳的约束模态振型，其中图4（a）为一阶扭转振型，即第1阶约束模态振型，其对应的固有频率为329.33 Hz；图4（b）为一阶弯曲振型，即第2阶约束模态振型，其对应的固有频率为432.30 Hz，将其作为CFRP油底壳铺层结构优化时的约束条件。

图2 金属油底壳的约束位置和加载位置示意图Fig.2 Schematic diagram of restraint positions and loading positions of metal oil pan

2 CFRP油底壳制造分析与设计

油底壳作为壳体类零件，应具备一定的承载能力，其材料需具有良好的综合强度性能、耐温性以及耐腐蚀性。环氧树脂基碳纤维复合材料具有弹性模量较高、纤维方向抗拉压强度高以及耐高温的特点，这为油底壳材料的替代提供了条件［15］。本文采用环氧树脂基碳纤维复合材料T300/5208来设计CFRP油底壳，该材料的力学性能参数如表2所示［16］。CFRP的性能与其制造工艺的关系密切，因此，研究分析CFRP零件制造过程是获取高性能产品必不可少的步骤。

为实现CFRP油底壳的成型制造，除根据原金属油底壳进行结构设计外，还需要对其铺设过程进行分析，若存在无法铺设的情况，则需进行结构调整。采用Fibersim软件对CFRP油底壳的铺覆方案进行设计，同时观察铺层形状、纤维方向以及铺覆效果，以便及时发现问题并采取相应的优化措施。

图3 内压工况下金属油底壳的应力和位移分布Fig.3 Distribution of stress and displacement of metal oil pan under internal pressure condition

图4 金属油底壳的约束模态振型Fig.4 Constrained mode shape of metal oil pan

考虑到复合材料的匹配性和制造成本等因素，结合油底壳的结构和受力特点，为满足替代要求，CFRP油底壳的基本尺寸仍采用原金属油底壳的尺寸。根据CFRP的铺覆要求，需对油底壳的结构进行以下改进：1）由于油底壳外形曲率大及弯折严重，为保证良好的铺覆效果，对整个铺覆区域进行分割，其贴膜面如图5所示；2）分割后，为保证结构的完整性和外形的平整性，选择对接的拼接方式，同时采用补强的方式弥补纤维在对接处可能出现的缺陷；3）原金属油底壳翻边处的螺栓孔数量较多，考虑到开孔会增大制造难度和提高成本，选择制件后开孔；4）放油孔的直径相对较大，根据工程经验，减小放油孔的直径并对其进行补强，以避免开孔周围强度下降。图5所示为CFRP油底壳铺覆工艺可行性分析结果，从图中可以看出，CFRP油底壳的整体铺覆效果理想，仅在拐角处出现少量纤维褶皱。

表2 环氧树脂基碳纤维复合材料T300/5208的力学性能参数Table 2 Mechanical performance parameters of epoxy based carbon fiber composite T300/5208

图5 CFRP油底壳铺覆工艺可行性分析结果Fig.5 Feasibility analysis results of covering process of CFRP oil pan

3 CFRP油底壳铺层结构优化设计

以复合材料的结构设计和性能分析为基础，获取CFRP油底壳初始模型后，以等刚度原理为准则，设置壳体模型的厚度。经分析，该模型满足油底壳内外压强度与约束模态的基本要求。为获取满足性能最优条件的铺层结构，采用Hyperworks软件中的Optistruct模块，按照逐层铺设思路，对CFRP油底壳的铺层进行三步优化设计。

3.1 自由尺寸优化

基于CFRP的材料特性和制造工艺要求设计的CFRP油底壳满足基本设计目标，但仍需对其性能进行优化。油底壳是薄壳结构，对发动机和外部零部件起支承作用，并有一定的机油承载要求，这就需要油底壳具备一定的强度和刚度。因此，在自由尺寸优化阶段，以提高油底壳刚度为优化目标，寻找每一层铺层的最佳铺设边界，以确定CFRP油底壳的材料分布［17］。

在自由尺寸优化中，设计变量为CFRP油底壳各角度铺层的厚度，优化目标为CFRP油底壳的总柔度最小，通过约束函数控制每一铺层的厚度以及油底壳总厚度来实现工艺性约束。为获得CFRP油底壳各角度铺层的最佳厚度，建立其尺寸优化数学模型，表示为：

式中：C(x)为CFRP油底壳的总柔度；V为体积分数；Ts为CFRP油底壳的总厚度。

自由尺寸优化后CFRP油底壳各角度铺层的厚度分布如图6所示。由图6可知，0°与90°铺层的厚度较小，而±45°铺层的厚度相对较大，这是因为优化目标为油底壳总柔度最小，即刚度最大，而±45°铺层主要承受剪力，抗剪性能最好，该角度铺层所占比例较高可使油底壳的刚度较大。

3.2 尺寸优化

通过自由尺寸优化能较好地确定CFRP油底壳的材料分布，但在实际生产制造过程中，铺设边界的厚度受到制造工艺的约束，同时影响着CFRP油底壳的力学性能。因此，采用尺寸优化来分析CFRP油底壳性能与铺层厚度的关系，以单层铺层的厚度为设计变量，对铺层的质量、材料属性等进行优化分析，以确定最佳的铺设边界厚度。

尺寸优化属于详细设计阶段［18］，该阶段优化目标与约束条件的确定尤为重要。本文选取的优化目标为CFRP油底壳质量最小，约束条件以性能约束为主，制造约束为辅：CFRP油底壳的性能约束除刚度约束外，还有强度、稳定性以及模态频率等约束，原则上以原金属油底壳的静、动力学分析结果为参考基准，优化后CFRP油底壳的性能不能劣于原金属油底壳。

原金属油底壳在工作中除承受发动机的振动和外部冲击外，还需承受一定的内压作用。由不同工况下原金属油底壳的性能分析结果可知，在0.035 MPa内压作用下，金属油底壳的最大von-Mises等效应力为140.8 MPa，最大位移为0.54 mm。结合发动机整机振动试验结果，调整CFRP油底壳的固有频率，通过计算发现CFRP油底壳一阶扭转模态的固有频率为800 Hz左右，避开了能量集中的频率段（200 Hz附近和400～600 Hz）。因此，综合上述设计变量、设计目标以及约束条件，建立CFRP油底壳尺寸优化数学模型，表示为：

图6 自由尺寸优化后CFRP油底壳各角度铺层的厚度分布Fig.6 Thickness distribution of CFRP oil pan layer at various angles after free size optimization

式中：m(x)为CFRP油底壳的质量；f为CFRP油底壳一阶扭转模态的固有频率；f0为原金属油底壳一阶扭转模态的固有频率；ε为各角度铺层的最大拉压应变；ε0为各角度铺层的极限拉压应变，ε0=3.5×10-3；σ为内压工况下CFRP油底壳的最大von-Mises等效应力；σ0为内压工况下原金属油底壳的最大von-Mises等效应力；Tθ为各角度铺层的厚度。

图7为尺寸优化后CFRP油底壳各角度铺层的厚度分布。由图可知，尺寸优化后CFRP油底壳各角度铺层的厚度明显增大，其中-45°与45°铺层的厚度变化明显，分别达到了1.8 mm和1.3 mm。

图7 尺寸优化后CFRP油底壳各角度铺层的厚度分布Fig.7 Thickness distribution of CFRP oil pan layer at various angles after size optimization

3.3 铺层顺序优化

复合材料零件的力学性能与其铺层顺序关系密切，复合材料零件的力学性能会随着铺层顺序的调整而改变。针对这一特性，在尺寸优化后，对CFRP油底壳进行铺层顺序优化。在不增大CFRP油底壳质量的前提下，以满足CFRP铺层规则为基础，通过优化铺层顺序来提升CFRP油底壳的力学性能，该优化阶段的优化目标仍为CFRP油底壳质量最小。从制造工艺与性能要求出发，同一角度的铺层数量应不多于4层［6］，即最多4层角度相同的铺层相邻；为提升铺层的压缩和抗冲击性能，外层使用45°铺层与-45°铺层。在铺层顺序优化过程中，根据约束条件和优化目标对铺层顺序进行调整，直至满足铺覆设计条件。三步优化后CFRP油底壳的铺层数量为228层，其中贴膜面A和贴膜面C的前24层铺层及贴膜面B的全部铺层的铺层顺序优化结果如图8所示。

3.4 基于制造工艺的铺层结构调整

在铺层结构优化后，为使CFRP油底壳在低成本的前提下实现规模化生产，在铺覆前需解决CFRP的变形、偏差和纤维屈曲问题，从而缩短生产周期以提高产量。因此，经三步优化后，为保证CFRP油底壳实际生产制造的可行性，借助FiberSim软件对其铺覆方案进行制造工艺仿真分析与调整：在薄弱区域增加铺层以提高CFRP油底壳的强度与使用寿命，在局部铺层厚度较大区域适当减小铺层厚度，以减小CFRP油底壳质量，兼顾制造工艺可行性与成本要求。图9为CFRP油底壳-45°铺层的结构调整过程，左侧为三步优化后自动生成的铺层，右侧为手动裁剪后的铺层。检查CFRP油底壳所有铺层并进行结构调整。经仿真验证，铺层结构调整后CFRP油底壳的铺覆效果较好，其质量虽由0.388 kg增大至0.420 kg，但对力学性能的影响较小。

在确保铺覆方案的可行性后，在不同工况下对CFRP油底壳进行静、动力学分析，并与金属油底壳的分析结果进行对比，如表3所示。从表3中可以看出，在0.035 MPa内压作用下，CFRP油底壳的最大von-Mises等效应力为48.6 MPa。基于Hill失效准则可知，CFRP的失效指数小于1，满足要求。CFRP油底壳的最大位移为0.16 mm。与金属油底壳相比，CFRP油底壳的一阶扭转模态和一阶弯曲模态的固有频率都有很大程度的提高：一阶扭转模态的固有频率由329.33 Hz提高至1 372.8 Hz；一阶弯曲模态的固有频率由432.30 Hz提高至1 479.45 Hz，有效避免了油底壳因固有频率与激振力频率重合而产生共振。油底壳质量由原来的0.97 kg减小为0.42 kg，减小了56.7%，轻量化效果明显。

综上可知，通过FiberSim软件建立CFRP油底壳的铺层结构，经Hyperworks软件优化分析后，再由FiberSim软件处理并生成加工数据，即可将模拟量转变为数字量传递制造信息，体现了并行工程理念。通过仿真分析可知，CFRP油底壳既符合性能设计要求，又满足制造约束条件，具备制造可行性，且轻量化效果明显。