【技术帖】扭转梁悬架碳纤维复合材料横梁结构优化

［摘要］ 鉴于碳纤维增强复合材料（CFRP）轻质高强的特点，本文中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，并进行结构优化设计。首先，通过碳纤维增强复合材料层合板力学性能试验获得材料力学参数，建立悬架扭转梁有限元模型，并对扭转梁中的碳纤维复合材料横梁截面进行改进设计。在此基础上，综合考虑横梁质量、刚度和工艺约束，对CFRP横梁进行铺层厚度、角度和铺层顺序的多层次优化。优化后，在满足各项性能指标的情况下，碳纤维增强复合材料横梁比原钢质横梁轻量79.34%，取得显著的轻量化效果。

关键词：扭转梁悬架；CFRP横梁；铺层优化；轻量化

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前言

为满足节能与环保的要求，轻量化已成为汽车领域的研究热点。实现汽车轻量化的技术途径主要包括结构轻量化设计、应用轻质材料和采用先进的制造工艺___［1-4］。在轻量化材料中，碳纤维增强复合材料（carbon fiber reinforced plastic，CFRP）因其良好的可设计性和优异的力学性能，尤其适合于电动汽车结构件，是汽车轻量化技术的重点研究方向之一［5-7］。

碳纤维增强复合材料具有密度低、比强度高、减振性好和抗疲劳能力强等诸多优点，国内外学者针对碳纤维增强复合材料汽车结构的优化设计已开展了许多研究工作。Hartmann等［8］将碳纤维复合材料应用于电池箱结构，提高了电池箱的性能。Liu等［9］基于多种工况研究了碳纤维织物增强复合材料保险杠的结构优化设计方法。Wu等［10］研究了碳纤维增强复合材料车门的材料铺层优化设计方法。程章等［11］运用自由尺寸优化方法对汽车翼子板分区域进行了优化设计。肖志等［12］基于汽车顶盖雪压性能需求，对碳纤维复合材料顶盖展开了多层次铺层优化设计。

扭转梁是汽车悬架的关键结构件，应用轻量化材料对其进行结构优化设计，不仅可直接降低汽车能耗、提高动力性，还可提升汽车的操纵性和舒适性等整车动力学性能。本文中以某乘用车悬架扭转梁作为研究对象，考虑到碳纤维增强复合材料轻质高强的特点，将扭转梁悬架原钢质材料横梁用碳纤维增强复合材料替代，并对CFRP横梁截面进行结构改进设计。在此基础上，以横梁质量最小为优化目标，同时考虑刚度和制造工艺约束，通过自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化对CFRP横梁进行铺层优化设计，获得最优铺层方案，实现扭转梁悬架碳纤维增强复合材料横梁的轻量化设计。

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碳纤维复合材料力学性能试验

1.1 CFRP样件制备

为准确分析碳纤维复合材料构件的结构性能，对碳纤维增强复合材料层合板进行单向拉伸和面内剪切试验，以获得碳纤维复合材料力学参数。选取T300斜纹机织碳纤维布和E51环氧树脂，采用真空辅助成型工艺将8层碳纤维布制备成厚度为1.92 mm的CFRP层合板，并制作试样，如图1所示。

图1 CFRP层合板制备及其样件

1.2 力学性能试验

采用电子万能试验机进行碳纤维增强复合材料层合板单向拉伸和面内剪切力学性能试验，其中单向拉伸试验参考标准ASTM D3039／D3039M—14［13］，面 内 剪 切 试 验 参 考 标 准ASTM D3518／D3518M—13［14］，拉伸速率设置为2 mm／min，试验过程如图2所示。根据试验结果计算得到数值模拟所需碳纤维增强复合材料力学参数，如表1所示。

图2 CFRP层合板力学性能试验

表1 碳纤维增强复合材料力学参数

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扭转梁悬架横梁结构改进设计

2.1 扭转梁有限元模型的建立

选取某乘用车扭转梁悬架为研究对象，该扭转梁主要由U型横梁、纵臂、弹簧座、减振器座、轮毂安装板和衬套筒构成，将其几何模型导入到HyperMesh软件中，采用壳单元进行网格划分，共划分单元6 494个，节点数为7 919，建立扭转梁有限元模型，如图3所示。

2.2 CFRP横梁初始设计

选取扭转梁中U型横梁结构进行碳纤维增强复合材料替换，进行初始设计和结构性能对比分析。原钢质横梁材料为高强度钢，横梁原始厚度为6 mm，其力学性能如表2所示。在初始设计阶段，对碳纤维增强复合材料横梁采用经典铺层顺序［0°／45°／-45°／90°］进行铺层设计，单层厚度为0.2 mm，共铺设32层，得到CFRP横梁总厚度为6.4 mm。

图3 扭转梁有限元模型

表2 钢质横梁材料基本性能

2.3 结构性能对比分析

分别从模态、刚度和最大应力3个方面对比分析原钢质横梁和CFRP横梁的结构性能。模态分析是在自由边界条件下进行计算，选取第1阶模态频率作为评价指标。刚度分析包括弯曲刚度和扭转刚度，其中弯曲刚度又分为纵向（x向）和垂向（z向）。最大应力分析包括加速、制动、稳态回转和最高车速共4种工况，采用惯性释放法进行仿真，4种工况下扭转梁受力情况如表3所示。

表3 4种工况下扭转梁施加的载荷

限元分析，计算得到两种材料横梁（钢和U型CFRP）的质量、模态、刚度和最大应力仿真结果，如表4所示。由仿真结果可知，直接将材料替换为碳纤维复合材料的横梁轻量效果明显，但其结构性能有所降低，尤其是扭转刚度降幅很大，未能充分发挥碳纤维复合材料高强度、高模量的优点，需要对横梁结构进行改进设计。

表4 横梁结构性能对比

2.4 CFRP横梁改进设计

将碳纤维复合材料应用于扭转梁悬架横梁结构时，继续采用U型截面结构，扭转梁悬架抗扭性能远达不到使用要求。因此，为提高横梁抗扭性能，根据截面几何特性将横梁原U型截面改进为抗扭性能更好的S型截面结构，改进前后的横梁截面几何形状如图4所示。通过有限元仿真分析计算得到S型截面横梁结构性能（见表4中最后一栏），可以发现横梁弯曲刚度略有增大，而抗扭刚度则大幅提升（为U型横梁的12.2倍），但横梁质量略有增大，因此有必要对扭转梁S型CFRP横梁进行铺层优化，以期在保证结构性能的同时，进一步降低横梁质量。

图4 改进前后横梁截面几何形状

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3 CFRP横梁铺层优化

3.1 铺层优化基本原则

碳纤维增强复合材料横梁铺层优化主要分自由尺寸优化、尺寸优化和复合材料铺层顺序优化3个步骤，根据碳纤维复合材料设计和制造工艺要求，CFRP横梁铺层优化设计过程中，需考虑以下基本原则。

（1）铺层定向原则。尽量多采用0°、45°、-45°、90°4种经典铺层角度，在满足受力的前提下减少铺层角度种类，提高工作效率。

（2）均衡性原则。在设计时平衡±45°铺层，以消除弯扭耦合效应。

（3）主应力原则。纤维取向尽量与构件承载力方向一致，充分发挥复合材料的承载性能。

（4）铺层顺序原则。同一方向铺层不能连续出现2层以上，以防层合板分层、开裂等情况发生。

3.2 自由尺寸优化

采用OptiStruct优化软件对S型截面CFRP横梁层合板结构进行自由尺寸优化，获取每种典型铺层角度的最佳铺层厚度，以使CFRP横梁较好的满足刚度要求。在自由尺寸优化过程中，由于该优化软件只能减薄材料而不能增厚材料，因此，将总厚度增加至7.2 mm。定义0°、45°、-45°、90°4个典型铺层角度的超级层，各层厚度均为1.8 mm，横梁质量相应增大至2.49 kg。

在自由尺寸优化阶段，以质量不大于S型CFRP横梁质量的90%为优化约束，将扭转工况横梁柔度最小作为优化目标。经过优化迭代，基本确定了横梁铺层形状，其厚度不仅沿长度方向呈不均分布，而且每个截面沿S曲线的走向也是不等厚的。S型CFRP横梁总厚度和各角度铺层厚度分布如图5所示。优化后，S型CFRP横梁质量由2.49降低到2.11 kg，轻量15.26%。

3.3 尺寸优化

通过自由尺寸优化后，确定了S型碳纤维复合材料横梁每种铺层角度的不规则厚度，考虑到实际采用的可制造加工的单层碳纤维布厚度为0.2 mm，再以质量小于2 kg为设计约束进行尺寸优化，得到每种铺层角度在给定铺层厚度条件下的最佳铺层数量和各角度每个铺层的裁剪形状。

通过对自由尺寸优化结果进行离散化处理，最终确定了S型碳纤维增强复合材料横梁总铺层数为31层，其中0°铺层有7层，±45°和90°均有8层。经过离散尺寸优化，S型CFRP横梁质量又进一步降低至1.94 kg。

图5 横梁总厚度和各角度铺层厚度分布

3.4 铺层顺序优化

碳纤维增强复合材料具有各向异性力学性能，为充分发挥碳纤维增强复合材料的可设计性，可通过铺层顺序优化获得CFRP结构的最大刚度系数矩阵，使结构的刚度达到最大。因此，对S型CFRP横梁进行材料铺层顺序优化，可在不改变横梁质量的情况下，进一步提升横梁结构性能。

图6 S型CFRP横梁铺层顺序优化结果

经过22次优化迭代后获得了S型CFRP横梁的最佳材料铺层顺序，其中最后8次，即第15～22次迭代结果如图6所示。图中，不同颜色代表不同的铺层角度，最终的最佳铺层顺序为［±45°／±45°／±45°／±45°／0°／0°／90°／90°／0°／90°／90°／0°／0°／90°／90°／0°／0°／90°／90°／±45°／±45°／±45°／±45°］。

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 结果分析

根据获得的最佳铺层方案重新设计S型碳纤维增强复合材料横梁，通过有限元仿真分析，得到其质量、模态频率、弯扭刚度和最大应力，并计算相比于原钢质横梁的性能变化，结果如表5所示。

表5 CFRP_S横梁优化后仿真结果

刚度方面，由表5可见，优化后的S型碳纤维复合材料横梁1阶模态频率为300.71 Hz，相比于原钢质横梁有大幅度提升，其振动性能得到较好改善。S型CFRP横梁弯曲刚度和扭转刚度变化不大，最大相对变化量为-5.48%，均满足性能设计要求。

最大应力方面，将扭转梁有限元模型中原钢质横梁替换为优化后的S型CFRP横梁，并采用惯性释放法仿真计算加速、制动、稳态回转和最高车速4个工况下的扭转梁应力分布情况，仿真结果如图7所示。由表5和图7可知，优化后S型CFRP横梁的最大应力，除加速工况外，显著低于钢质梁，且各工况下扭转梁的最大应力远小于材料的极限强度，计及安全系数后，强度仍满足设计要求。

质量方面，通过截面改进设计、自由尺寸优化、尺寸优化和铺层顺序优化，碳纤维增强复合材料横梁在满足结构性能要求的情况下，质量有较大幅度降低，如图8所示。原钢质横梁质量为9.39 kg，用U型CFRP替代后，减小至2.12 kg，截面改为S型后，回升至2.22 kg，由于优化需要增加横梁厚度，质量又增至2.49 kg，优化后的S型CFRP横梁质量最终降低至1.94 kg，比钢质横梁轻量79.34%，轻量化效果显著。

图7 优化后扭转梁应力云图

图8 材料替换和优化前后横梁质量对比

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 结论

（1）开展了碳纤维增强复合材料层合板试样制备，并进行了力学性能试验，获得了材料力学参数，为碳纤维复合材料横梁准确的数值模拟提供了数据基础。

（2）根据截面几何特性将横梁原U型截面改进为抗扭性能更好的S型截面结构，在质量变化不大的情况下提高了碳纤维增强复合材料横梁的抗扭性能。

（3）综合考虑横梁质量、刚度和工艺约束，采用多层次优化方法对CFRP横梁进行铺层厚度、角度和顺序优化，获得了最优铺层方案，充分发挥了碳纤维复合材料的可设计性。

（4）优化后的S型CFRP横梁在满足结构性能要求的前提下，与原钢质横梁相比质量减轻了79.34%，取得了显著的轻量化效果，验证了该优化方法的可行性，为扭转梁轻量化设计提供了参考依据。

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来源：期刊-《汽车工程》；作者：