据汽车工业不完全统计，汽车整备质量每降低10%，燃油效率能提高6%-8%。对应欧盟的CO2排放指标，汽车的整备质量每降低100kg，CO2排放降低10g/km，因此，汽车轻量化具有重大意义。与金属相比，超轻玻纤复合材料的密度为1.24g/cm3，是普通钢的1/6，是铝合金的1/2。其比强度接近镁合金，但成本远低于镁合金，比强度高于其他金属材料。因此，超轻玻纤复合材料是汽车轻量化的最佳选择之一。后背门是汽车的重要组成部分，不仅应满足开启装载货物的功能，而且要达到A级表面的外观质量要求。现有的后背门由内板，外板，加强板和铰链等组成，均为钣金冲压结构，厚度在0.65-0.8mm之间。本文后背门内板采用高强度玻纤复合材料[1]，外板采用超轻的A级表面玻纤复合材料，内外板采用胶粘连接。通用自由尺寸和拓扑优化方法，优化内板和外板的结构和厚度分布，经CAE分析各项指标均满足性能要求，与钣金后背门相比减重效果非常明显。为了后续比对分析方便，本文选取某品牌纯电动汽车（简写为Car）后背门作为建模研究对象，该对象的基本参数如下：（1）刚度。侧向刚度≥40n/mm，弯曲刚度≥30n/mm。（2）抗凹性。使用直径80mm的圆盘作为实验工具，向外板任意区域施加400N的压力后，汽车外板形变≤10mm。（3）振动与声振粗糙度（英文简写为NVH）。NVH≥30Hz。（4）后背门质量。Car的后背门质量设定为16.8kg。基于Car的基本性能指标讨论尺寸优化、自由尺寸优化和铺层次序优化策略的效果。为了确保在不降低汽车后背门整体性能、不影响乘车人舒适度的前提下进行后背门质量（单位kg）的合理缩减，选用OptiStruct软件建模分析复合材料后背门模态频率、刚度和抗凹性等重要参数并生成模拟图。在开展优化分析之前需要重点关注复合材料后背门的优化原则，基于这些优化原则确保模拟优化分析工作顺利进行。（1）平衡对称性：汽车复合材料后背门应当以均衡对称形式为主，均衡对称是最为常见且稳定的一种对称形式，能够最大限度避免层合板因为翘曲变形影响汽车安全性。（2）铺层顺序。在满足减重效果的同时不能影响到汽车原有性能，一般情况下整体铺层数量应当控制在4层以下，层数过多会影响减重效果。（3）铺层角度控制。铺层方向不宜过多过乱，一般取45°的整数倍。3.1 超轻玻纤复合材料后背门自由尺寸优化为了后续描述方便，本文需要预先给出“超级铺层”的概念：所谓“超级铺层”是指将多个单一铺层（一般厚度为0.5mm）在同一个方向进行叠加，并通过粘合、固定、捆绑等手段将多个单一铺层组装成一个整体，这个整体就可以被看做一个“超级铺层”。整个后背门自由尺寸优化过程可以概括为三步：（1）设计变量优化。主要优化“超级铺层”厚度以及所含的单个铺层数量。（2）设计约束优化。内外板体积分数≤0.3，弯曲工况施加载荷点位移≤1.02mm，扭转工况施加载荷点位移≤2.4mm，侧向工况施加载荷点位移≤3.23mm，见图1。3.2 超轻玻纤复合材料后铺层次序优化超轻玻纤复合材料后铺层次序优化铺层次序优化过程可以描述为：（1）设计变量优化。后背门内板9层铺层次序；后背门外板10层铺层次序；内外板设置为对称铺层（2）设计约束优化。后背门内外板的外表面为正负45°铺层；后背门内外板的外表面最多允许3层角度相同的连续铺层。（3）设计目标优化。设加权柔度=F（弯曲工况、扭转工况、侧向工况），要求加权柔度取得最小值。3.3 超轻玻纤复合材料尺寸优化超轻玻纤复合材料后铺层次序优化铺层次序优化过程可以描述为：（1）设计变量优化。适当降低单个形状铺层块厚度。（2）设计约束优化。弯曲工况施加载荷点位移≤1.03mm，侧向工况施加载荷点≤3.22mm，扭转工况施加载荷点位移≤2.41mm，复合材料应力F满足-60Mpa≤F≤60Mpa。经过尺寸优化后，超轻玻纤维后背门的刚度性能得到明显提升。根据模态优化结果可知，钣金尾门的第一阶扭转模态为30.5Hz（见结果1），复合材料尾门的第一阶扭转模态为33Hz（见结果2），均满足NVH的目标要求。钣金尾门的侧向刚度为40.2N/mm，复合材料尾门的侧向刚度为50.6N/mm， 均满足刚度目标要求。钣金尾门的弯曲刚度为31.2N/mm，复合材料尾门的弯曲刚度为35.9N/mm，均满足刚度目标要求。钣金尾门的最大变形为10.27mm（见结果3），最大应力为265.7Mpa，位移不能满足性能要求，且局部有永久变形；而复合材料尾门最大变形为9.3mm（见结果4），满足性能要求。复合材料的最大应力只有50.8Mpa，无永久变形，抗凹性能远优于钣金尾门。本文对钣金后背门和玻纤复合材料后背门进行对比分析[2]，采用先进的轻量化优化方法和复合材料灵活的设计自由度优势，在满足NVH、侧向刚度、弯曲刚度和抗凹性的各向性能指标的前提下，与钣金后背门相比重量减少了4.2kg，减重效果达25%以上。因此，超纤复合材料是汽车轻量化的发展的最佳选择之一。（来源：汽车材料网）
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