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。

在碳纤维车身的运用方面，国内外学者进行了大量的研究，Liu等人对碳纤维复合材料车 身进行了碰撞安全分析，实现了车身轻量化，也验证了碳纤维车身的安全性。Jason Denny等人对复合材料车身进行了扭转、垂向弯曲、侧向弯曲、左右驱动力不均衡这四种工况的仿真，并阐述了车门部分对整车扭转刚度具有重要作用。Erik Vassoy Olsen等人对使用了不同碳纤维类型、芯材厚度、芯材类型、铺层的层合板样件进行了弯曲测试，结果表明厚度小、密度高的芯材可以很好的符合预期目标。A.Airale等人针对一辆节能车原型设计了带有泡沫骨架的复合材料车身。

传统的复合材料部件设计过程为“假设—分析—修改—对比—再设计”这样一个循环反复的过程，不仅耗时费力，而且往往得不到最优的结果，造成材料的浪费。本课题借鉴传统金属各向同性材料的结构优化方法，将拓扑优化运用于各向异性的复合材料承载式车身的优化设计中，以实现材料利用率、结构强度和质量三者的最优化。近年来，关于复合材料拓扑优化的研究也逐渐增多，侯文彬等人针对某款车型的复合材料电池箱进行了优化设计，最终其质量下降了29.9%，刚度及强度均获得了提升。严君、杨世文针对复合材料包装箱结构进行了优化设计，实现了复合材料薄壁结构的加筋设计，箱体质量下降5%。在复合材料车身的拓扑优化方面，宋文兵、左言言基于自由尺寸优化工具针对半单体壳结构进行了拓扑优化，确定不同区域层合板的最佳厚度。余海燕、徐豪等人针对复合材料单体壳在8字绕环工况下进行了拓扑优化设计，质量相较于原方案下降了34%。由此可见，对复合材料部件进行拓扑优化有利于进一步减轻部件质量。

汽车在实际运行过程中，车身工况较为复杂。目前复合材料车身的拓扑优化设计往往以某一工况为前提展开，而缺乏在其他工况下验证，因此在实际使用过程中存在失效的可能。车身与其他部件的连接需要对复合材料进行开孔，使得该处强度降低，在集中力作用下同样存在失效的可能。故本课题将从多工况及连接点强度两方面完善复合材料车身的拓扑优化。

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

扭转刚度是车身设计时首要考虑的指标，本课题将以扭转刚度为设计约束，质量最小为设计目标进行整车的拓扑优化设计。