碳纤维复合材料防撞梁与铝合金吸能盒低速碰撞轻量化设计优化

肖金涛，张 帅，徐锐良，徐立友

(河南科技大学 车辆与交通工程学院，河南 洛阳 471003)

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实现汽车轻量化是降低能耗、减少排放的有效途径[1-2]。复合材料及铝合金等轻质材料的应用，有效提高了汽车轻量化程度[3-4]。车身前端作为汽车重要的安全部件，其碰撞安全性是评价汽车性能的重要指标之一；同时，其轻量化程度对汽车性能也至关重要[5-6]。国内外学者在车身前端轻量化方面做了大量研究。文献[7]对铝合金防撞梁进行了拓扑优化，通过三点静压试验和仿真分析了优化后防撞梁的强度。文献[8]通过低速正面碰撞仿真，分析了碳纤维复合材料防撞梁形状对碰撞性能的影响。文献[9]采用碳纤维复合材料替换钢制防撞梁，仿真分析了防撞梁低速正面碰撞与侧面碰撞的碰撞性能。文献[10]设计了一种变截面碳纤维复合材料防撞梁，较传统钢制防撞梁有相当的碰撞性能，且有较好的轻量化效果。文献[11]对碳纤维复合材料保险杠铺层角度进行了优化设计，优化后的保险杠碰撞性能显著提升。文献[12]研究了碳纤维防撞梁形状与铺层顺序的最优组合，并对铺层厚度进行了多目标优化。

以上研究大多集中于探究结构优化设计，或复合材料铺层厚度、角度及顺序等单因素的影响，并没有兼顾各个因素的优化设计。因此，为了得到较佳的结构，本文运用拓扑优化，确定了钢制防撞梁及铝合金吸能盒的最优形状。在此基础上采用材料替换，将钢制防撞梁替换为碳纤维复合材料，并对其进行铺层块、铺层角度及铺层顺序的多层次优化。……