基于多尺度不确定性分析的碳纤维增强复合材料扭转梁可靠性优化研究

Carbon fiber reinforced plastic (CFRP) can achieve lightweight of electric vehicle structure effectively, however the theory system of multi-scale uncertainty analysis and reliability optimization for CFRP structure is still imperfect. Aiming at the multi-scale uncertainty coupling characteristics in the optimization design of CFRP twist beam, a multi-scale analysis model of CFRP twist beam is developed in this project. The influence mechanism of the geometry, material ply parameters and mesostructure on the strength, stiffness and vibration performance of CFRP twist beam is investigated. The multi-scale uncertainty analysis model of the CFRP twist beam is constructed to explore the multi-scale propagation law of the uncertainty parameters. On this basis, the reliability optimization design model of CFRP twist beam with multi-scale uncertainty is built. The multi-scale reliability optimization method of CFRP twist beam based on surrogate model and intelligent optimization algorithm is studied to achieve the reliable design of optimum material layout and optimal structure for CFRP twist beam. This study is supposed to lay a theoretical foundation and technical support for the design and development of CFRP suspension components.

碳纤维增强复合材料能有效实现电动汽车结构轻量化，但关于碳纤维增强复合材料结构多尺度不确定性分析和可靠性优化的理论体系尚不完善。本项目针对碳纤维增强复合材料扭转梁优化设计中存在的多尺度不确定性耦合特征，建立碳纤维织物增强复合材料扭转梁宏细观多尺度分析模型，探讨扭转梁几何尺寸、材料的铺层形式和细观结构特征等参数对CFRP扭转梁强度、刚度和振动特性的影响机制；构建碳纤维织物增强复合材料扭转梁多尺度不确定性分析模型，探索CFRP扭转梁不确定性参数的多尺度传播规律；在此基础上，构建考虑多尺度不确定性的CFRP扭转梁可靠性优化设计模型，开展基于代理模型和智能优化算法的CFRP扭转梁多尺度可靠性优化方法研究，实现CFRP扭转梁最佳材料布局和最优结构尺寸设计的可靠性，为碳纤维增强复合材料悬架结构件的设计开发提供理论研究基础和技术支撑。

低碳环保是汽车工业发展的重要主题，汽车轻量化作为实现节能减排的重要途径，在汽车领域受到了广泛关注。碳纤维增强复合材料具有轻质高强的优点，能有效实现汽车结构轻量化。碳纤维复合材料具有显著的多尺度特征，在碳纤维复合材料悬架结构件优化设计过程中，需综合考虑多尺度不确定性的影响。本项目将某乘用车扭转梁悬架原钢质横梁用碳纤维复合材料替代，并进行了改进设计；通过建立碳纤维织物增强复合材料扭转梁多尺度分析模型，探讨了微观、细观和宏观结构与材料参数对碳纤维复合材料扭转梁横梁强度、刚度和振动特性的影响规律；利用构建的碳纤维织物复合材料扭转梁多尺度不确定性分析模型，研究了碳纤维复合材料扭转梁不确定性参数的多尺度传播规律；综合考虑质量、刚度和工艺约束，对碳纤维复合材料扭转梁横梁进行了多层次铺层优化；在此基础上，建立了考虑多尺度不确定性的碳纤维复合材料扭转梁可靠性优化设计模型，研究了基于近似模型、蒙特卡洛模拟和智能优化算法的碳纤维复合材料扭转梁多尺度可靠性优化方法。本项目提出了碳纤维复合材料悬架结构件多层次铺层优化与多尺度可靠性优化相结合的优化方法，提高了碳纤维复合材料结构件的轻量化水平和优化设计方案的可靠性，为碳纤维复合材料悬架结构件的设计开发提供了理论研究基础和技术支撑，也推动了碳纤维复合材料在汽车领域的应用。