论文总字数：19551字

摘 要

本文借助计算机有限元仿真软件Abaqus以及铺覆仿真设计软件Fibersim对复合材料汽车地板横梁的力学性能和铺覆性能进行模拟，来探究复合材料替代原有钢材料来制备汽车地板横梁的可行性。通过定义弯曲刚度以及极限载荷来衡量汽车地板横梁的力学性能，最终通过Abaqus力学仿真模拟，得到最佳性能的复合材料地板横梁铺层方案，最佳复合材料地板横梁的铺层方案为：加厚区为[45°/0°₂/90°₂/0°₂/-45°/0°₂/45°/0°₂/90°/0°₂/-45°/0°₃]s ，非加厚区为[45°/90°₂/-45°/0°₂/45°/90°/-45°/0°₃]s。最佳铺层秩序下复合材料地板横梁的弯曲刚度能达到原钢材料汽车地板横梁刚度的49.24%，极限载荷能达到原钢材料汽车地板横梁的184.67%。在复合材料汽车地板横梁铺层设计的基础上，利用铺覆仿真软件Fibersim进一步完成复合材料的铺覆仿真设计。通过改变铺覆原点位置、创建拼接、创建线型或V型剪口，在完成复合材料地板横梁的铺覆设计的同时，探究出以上三个因素对纤维铺覆性能的影响，从而为后续研究者提供参考。

关键词：有限元；Fibersim；复合材料；力学性能

Abstract

In this paper, the mechanical properties and cladding properties of composite automobile floor beams were simulated by means of computer finite element simulation software Abaqus and Fibersim, so as to explore the feasibility of which using composite materials to replace the original steel materials for preparing automobile floor beams. The bending stiffness and ultimate load were defined to measure the mechanical properties of automobile floor beams. Finally, the best mechanical performance of the composite automobile floor beams was obtained by the mechanical simulation of Abaqus, and layer scheme of the best mechanical performance was: the thickening zone was [45°/0°2/90° /-45°/0°2/45°/0°2/90°/ -45°/0°3]s, and the non-thickening zone was [45°/90° /-45°/0°2/45°/ -45°/ -45°/0°3]s. The bending stiffness of the composite floor beams can reach 49.24% of that of the original steel automobile floor beams and the ultimate load can reach 184.67% of the original steel automobile floor beams under the optimal laying-order. Based on the design of composite automobile floor beam layer, the cladding simulation design of composite material layer was further completed by Fibersim. The influence of changing the initial position of cladding layer, creating splicing, and creating linear or v-shaped shear on the cladding performance was explored when the cladding design of composite floor beams was completed, so as to provide reference for future research.

Key Words：finite element；Fibersim；composite; mechanical property

目 录

第1章 绪论 2

第2章 复合材料地板横梁设计与仿真 3

2.1 有限元模型的建立与分析步骤 3

2.1.1 模型的建立 3

2.1.2 材料定义 3

2.1.3 网格划分与网格质量检测 4

2.1.4 载荷施加约束 5

2.1.5 分析步场输出设置 6

2.1 钢结构模型与复合材料模型的有限元结果分析 6

2.2.1 钢结构弯曲刚度与极限载荷 6

2.2.2 最优复合材料铺层设计的探究 8

第3章 复合材料地板横梁的铺覆仿真设计 17

3.1 铺覆软件Fibersim中铺覆方法的选择 17

3.2 铺覆设计操作与原理的简要介绍 17

3.3 铺覆材料属性的定义与导入 18

3.4 加厚区域铺覆设计 19

3.4.1 加厚过渡区域设计及铺层秩序设计 19

3.4.2 加厚区域的铺覆仿真分析 20

3.5 一般铺层区域的铺覆设计 21

3.5.1 拼接对铺覆性能的影响 21

3.5.2 铺覆原点对铺覆性能的影响 23

3.5.3 线型或V型剪口对铺覆性能的影响 25

3.5.4 一般铺层区域的铺覆仿真分析 26

第4章 复合材料地板横梁的预浸料裁剪方案 27

4.1 加厚铺覆区域二维展开图 27

4.2 一般铺覆区域二维展开图 27

第5章 总结 28

参考文献 29

致谢 .29

第1章 绪论

汽车产业是国民经济的重要支柱产业，带动了上下游产业链的同步发展，但大量的尾气排放、环境污染、能源消耗等问题严重限制了汽车行业的发展^[1]。为了实现更少的能源消耗和更少的环境污染，汽车轻量化势在必行。而复合材料具备高比强度、高比模量、耐疲劳性好、各向异性和可设计性等特点^[2]，因此是一种很好的能替代钢结构达到汽车轻量化目的的一种材料。由于碳纤维复合材料具有比拟甚至远超钢材的优异力学性能，且具有密度低、更好的耐腐蚀性等优点，因此利用碳纤维复合材料替代汽车钢结构零部件来达到汽车轻量化的目的具有很好的实际意义。

由于复合材料是一种各向异性材料，其加工成型方式与各项力学性能均不同于以往的各向同性的金属材料，因此为了克服复合材料制品研发中所存在的工作量大，研发成本高、产品开发周期长等缺点，复合材料领域的研究人员开发了多种复合材料设计、分析软件运用于复合材料的设计与制造之中，来模拟复合材料的分析、设计和制造过程。其中Fibersim软件是目前汽车复合材料零部件设计中常用的一款复合材料设计软件^[3]。Fibersim软件常和Catia三维建模软件配合使用，适用于一些拥有复杂外形和曲面的复合材料零部件的铺覆设计。通过使用Fibersim软件进行铺覆仿真设计，可以在设计阶段发现因为纤维铺覆不良导致的纤维屈曲变形过大等问题，从而在设计阶段通过改变铺覆原点、创建拼接、创建线型或V型剪口等方法来改善纤维的铺覆情况^[4]。此外，在铺覆仿真结果满足要求后，可以将所得的铺覆设计结果导出为预浸料的二维图纸及相关数据，并可直接将相应数据导入到自动裁布机中完成各铺层所需预浸料的裁剪。在后续的工作中，可以将所裁剪好的预浸料通过激光定位系统精准定位铺覆来制备所需的复合材料制件。

通过使用Fibersim软件进行复合材料复杂产品的设计开发，可以很好地控制铺层厚度、角度、铺贴位置定位等参数，从而避免了复合材料产品的缺陷产生，加快了生产进程，降低了生产成本。因此，可以通过前期利用Abaqus等有限元软件对复合材料模型的力学性能进行模拟，得到满足力学性能要求的铺层方案，再通过利用Fibersim软件对相应铺层进行对应的铺覆仿真设计，即可从设计阶段完成整个复合材料的所有仿真设计，再结合相应的预浸料裁布机以及激光定位系统等，就可以快速完成复合材料产品的制备，从而大大加快了整个复合材料产品开发的进程，并极大地减少了研发成本。

目前利用碳纤维复合材料来替代汽车钢结构零部件目前还主要局限于挡泥板、保险杠等简单的汽车零部件^[5-7]，对汽车地板横梁的轻量化设计较少报道，且对于仿真铺覆软件Fibersim的使用目前也鲜有报道。因此本文将以汽车地板横梁的轻量化设计为例，通过利用Abaqus和Fibersim软件来完成复合材料汽车地板横梁的整个仿真开发流程，从而在产品开发前的设计阶段对复合材料汽车地板横梁的生产工艺进行设计并对整个过程进行可行性分析。此外，通过对复合材料汽车地板横梁产品进行开发设计，可以为后续其他汽车钢结构零部件的轻量化设计提供参考借鉴。

第2章 复合材料地板横梁设计与仿真

2.1 有限元模型的建立与分析步骤

2.1.1 模型的建立

将在Catia中建立的某汽车地板横梁的实体模型导入到Catia中，然后在Catia中使用提取功能提取该汽车地板横梁实体模型的顶面，最后将该顶面的Catia模型导入到Abaqus中的Part模块中去，即完成了地板横梁的壳单元模型的建立。由于提取的是顶面，因此在后续的材料赋予中采用的是自顶向下的材料赋予方式。最终导入的壳体单元模型如图2.1所示。

图2.1 地板横梁壳单元模型

2.1.2 材料定义

钢结构材料参数和复合材料参数定义如下，以下数据均要分别输入Abaqus中创建的材料属性中去，从而在模型中分别定义两种材料，为后续分析提供数据支撑。

表2.1 汽车横梁常用钢材力学性能参数

表2.2 某商用碳纤维/环氧预浸料力学性能参数

2.1.3 网格划分与网格质量检测

由于在汽车零部件仿真时，选取的网格大小一般为 5mm-10mm，因此本文选用边长大约为8mm 的四边形网格，单元类型为 S4R。^[8]为了更加接近实际情况，此次模型并未在有限元分析前进行任何简化或修改，而实际汽车地板横梁由于拥有较多的精细曲面结构，因此一定程度上制约了划分网格的网格质量。本次划分网格采用的方法是以Sweep网格划分为主，剩余无法通过Sweep网格划分理论划分的精细结构采用自由网格划分，从而完成整个壳单元模型的网格划分。如图2.2所示黄色区域为基于Sweep网格划分理论进行的网格划分，粉色的区域是基于Free网格划分理论进行的网格划分。

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