基于Optisturct的方程式赛车复合材料承载式车身结构优化设计开题报告

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1. 研究目的与意义（文献综述）

1.1研究目的

复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料。碳纤维复合材料则是以树脂作为基体材料，碳纤维为增强材料复合而成，它具有密度低、比刚度高、比强度高、耐腐蚀性好、耐疲劳强度高等特点。由于其优越的性能，碳纤维已被广泛应用于军工国防和国民生产中。拓扑优化是结构轻量化设计时采用的方法之一，它是以事先指定的设计空间的材料为优化对象，通过优化算法自动给出最佳传力路径，从而减少材料的使用。本课题的研究目的是以大学生方程式赛车为具体研究对象，总结出以轻量化为目标的复合材料承载式车身的拓扑优化方法。

1.2研究意义

汽车轻量化是目前汽车领域研究的一大热点，其主要意义在于以下几点：①提升汽车的动力性。比功率为发动机输出功率与整车质量之比，是评价汽车动力性的一项重要指标。通过减轻整车质量可在发动机功率不变的情况下提高比功率，从而提升整车的动力性，对于赛车来说这一点至关重要；②实现节能减排，随着汽车工业的持续快速发展，汽车的设计越来越关注节能与环保，对乘用车而言，重量每减少10%，可节油7%～8%, co₂排放可减少6%～7%，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一。③提升产品竞争力，汽车轻量化意味着更低的能源消耗，对于消费者来说则降低了用车成本，使之在同类产品中更具竞争力。

轻量化的实施途径主要包括两个方面：一是采用轻质材料，二是采用优化的轻量化结构。车身的轻质材料主要有：高强度钢、铝、镁、钛合金、塑料及复合材料，随着有碳纤维制成的进气歧管、油底壳、发动机罩盖、车门等部件的推广应用，该材料在整车轻量化中扮演着不可或缺的角色。碳纤维车身目前仅在一些赛车、高级轿车等小批量车型上应用，如宝马的z-9、z-22，通用的ultralite、福特的gt40、保时捷911 gt3等车型的承载式车身。大众汽车公司在“2l车”项目中，碳纤维复合材料的使用比例高达45%，兰博基尼aventador lp700-4采用单体壳车身，该车身仅147kg，通用chevrolet corvettez06纪念版轿车发动机罩盖采用碳纤维复合材料，质量仅为9.3kg。随着低成本碳纤维生产工艺研发的推进，碳纤维必会在普通乘用车领域得到进一步推广。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究内容

1）拓扑优化准确度校正

有限元理论及力学原理是optistruct中的复合材料拓扑优化的基础，由于理论的不完善、材料的工程常数与实际存在差异、实验样件的缺陷等，仿真与实验结果存在一定的误差。将仿真与实验结果对比可以验证计算方法和有限元模型的正确性和有效性，为后续工作奠定基础。

2）基于扭转刚度的整车拓扑优化

3. 研究计划与安排

（1）2-4周：完成拓扑优化准确度校正；

（2）5-6周：完成整车拓扑优化仿真，确定整车铺层方案；

（3）7-8周：完成连接点优化；

4. 参考文献（12篇以上）

[1]m. carello, a. g.airale, a. messana.idrapegasus: a carbon fiber monocoque vehicle prototype[j].materialwissenschaftund werkstofftechnik,2014,45(5):397-405.

[2]a. airale, m.carello, a. scattina.carbon fiber monocoque for a hydrogen prototype for lowconsumption challenge[j].materialwissenschaft undwerkstofftechnik,2011,42(5):386-392.