摘 要

本文借助计算机三维建模软件CATIA首先对某款电动汽车建立几何模型，然后运用CAE仿真软件HyperWorks对几何模型进行几何清理和网格划分得到有限元模型。接着分别为有限元模型赋予钢板材料属性和碳纤维复合材料属性，创建两种不同材料的车身结构。为了验证车身结构的静态刚度情况，针对静态弯曲工况和静态扭转工况进行了相应的约束、加载处理和仿真分析，同时对钢制车身进行了模态分析。最后对两种材料的车身结构进行了静态刚度比较，结合分析结果，改进了复合材料的铺层层数，并将铺层厚度作为设计变量，车身静态刚度为主要约束条件，车身轻量化最大为目标函数进行优化求解，得到了满足车身刚度要求的复合材料电动汽车车身结构，所得结果对于碳纤维复合材料车身的结构优化设计具有重要的指导意义，为新材料在汽车行业的应用发展提供了有价值的参考。

论文主要研究了：钢制车身和碳纤维复合材料车身的静态刚度和模态，以及碳纤维复合材料车身结构优化设计的方法和过程。

研究结果表明：碳纤维复合材料整车刚度稍弱于钢制车身，但能满足主要设计要求，整车轻量化效果非常显著，对电动汽车增加续航里程有重要意义。

本文的特色：将碳纤维复合材料应用到整个车身结构上，同时针对车身不同部位的不同受载情况，设计不同厚度的碳纤维复合材料，以尽可能达到最大限度的轻量化。

关键词：电动汽车；车身；碳纤维复合材料；优化设计

Abstract

This paper first sets up a geometric model for an electric vehicle by CATIA, and the finite element model is obtained by geometrical cleanup and meshing of the geometric model using CAE simulation software HyperWorks. Then, the finite element model is given to the properties of the steel sheet and the carbon fiber composites, creating two body structure of different materials. In order to verify the static stiffness of the vehicle body structure, the static bending conditions and static torsion conditions were compared with the constraints, loading and simulation analysis, while the steel body for modal analysis. Finally, the static stiffness of the two kinds of materials is compared with the static stiffness, and improves the number of layers of composite material rely on the results. Taking the parameter of composite material of plies as optimization variables, body stiffness as the main constraint, the lightest body mass is optimized for the objective function. The results show that it is of great significance for the optimization design of the structure of carbon fiber composite body, which provides a valuable reference for the development of new materials in the application of automobile industry.

This paper mainly studies the static stiffness and mode of steel body and carbon fiber composite body, and the method and process of optimizing the design of carbon fiber composite body structure.

The results show that the stiffness of the composite vehicle is smaller than that of the steel body, but it can meet the design requirements. The weight of the vehicle is obviously reduced, which is of great significance to increase the mileage of the electric vehicle.

The characteristics of this paper: the carbon fiber composite materials applied to the entire body structure, while the different parts of the body for different load conditions, the design of different thickness of the carbon fiber composite material, as far as possible to achieve the maximum weight.

Key Words：EV；Car body；CFRP；Optimized design

目录

第一章 绪论 1

1.1 引言 1

1.2 国内外相关研究现状 2

1.3 课题研究的目的及意义 4

1.4 论文研究的主要内容 5

1.5 本章小结 5

第二章 碳纤维复合材料及车身模型 6

2.1 引言 6

2.1 碳纤维复合材料简介 6

2.1.1 碳纤维复合材料基本结构形式 7

2.1.2 碳纤维复合材料成型工艺 8

2.2 电动汽车车身有限元模型 9

2.2.1 有限元设计及分析方法 9

2.2.2 车身模型的简化 11

2.2.3 车身有限元模型网格划分及质量检查 12

2.2.4 钢制车身材料及属性 14

2.3 复合材料电动汽车车身模型 15

2.3.1 复合材料的选取 15

2.3.2 碳纤维复合材料的基本性能参数 16

2.3.3 碳纤维复合材料车身有限元模型 17

2.4 本章小结 17

第三章 车身静态刚度分析 19

3.1 引言 19

3.2 静态弯曲刚度分析 19

3.2.1 弯曲刚度理论基础 19

3.2.2 车身弯曲工况的约束及加载条件 20

3.2.3 不同材料的车身弯曲刚度对比 21

3.3 静态扭转刚度分析 23

3.3.1 扭转刚度理论基础 23

3.3.2 车身扭转工况的约束及加载条件 24

3.3.3 不同材料的车身扭转刚度对比 25

3.4 本章小结 27

第四章 车身有限元模态分析 28

4.1 引言 28

4.2 模态分析基本理论 28

4.3 车身模态分析计算及其结果分析 29

4.3.1 模态分析的边界条件 30

4.3.2 仿真结果与分析 30

4.6 本章小结 35

第五章 碳纤维复合材料车身结构优化设计 36

5.1 引言 36

5.2 复合材料铺层设计 36

5.2.1 单层板的设计 36

5.2.2 层合板铺设 37

5.2.3 层合板失效理论 39

5.3 层合板铺层优化设计 39

5.4 优化方法 40

5.4 优化结果验证及分析 41

5.4.1 迭代曲线分析 42

5.4.2 弯曲刚度对比分析 44

5.4.3 扭转刚度对比分析 45

5.4.4 两种材料车身对比分析 46

5.5 本章小结 47

结论与展望 48

参考文献 49

致谢 51

第一章 绪论

1.1引言

21世纪以来，随着科学技术和工业化的快速发展，汽车已经完全不再像最初的那样，仅仅作为简单的交通工具甚至只是代步工具，而是越来越多的成为了集个性化、娱乐休闲、办公为一体的移动场所。另一方面，80后、90后正逐步成为新时代消费者大军的代表，整个汽车行业市场的消费结构正在发生潜移默化的改变，个性化、整体化、鲜艳化、艺术化正在支配这个群体的消费思想。数据显示，2014年，中国汽车市场80后和90后购买汽车的人数比例就已经高达到53%，到了2015年，这群消费者的比例超过58%，成为汽车市场的绝对主流。换句话说，80、90后已经成为汽车消费的主力大军，对汽车的需求量也越来越大。

据中国汽车工业协会网站数据，2016年中国汽车产销均超过2800万辆，连续八年蝉联全球第一，但如此庞大的汽车数量也带来了一系列严重的能源与环保问题。面对前所未有的巨大能源危机和环境污染问题，电动汽车产业的发展已是必然趋势，而且只会发展得更加迅速和稳定。近年来电动汽车的发展是汽车产业朝着节能化、环保化、智能化和电动化以及轻量化方向转型的重要环节。尤其是汽车产业在第三次工业革命的影响下，将会在汽车原材料选择、生产制造工艺以及能源改进等方面产生诸多革命性、颠覆性的改变。