摘 要

近年来工业化发展带动了汽车行业迅速扩展，汽车带来的环境难题也越发的严重。为了解决这一难题，使用汽车轻量化材料无疑能大幅度改善汽车排放问题。玄武岩纤维是一种绿色、环保的高性能纤维，其不仅具有较高的力学性能,同时在绝热性、耐腐蚀性以及绝缘性能方面也具有突出的优势。此外玄武岩纤维的性价比很好，目前受到越来越多的厂家关注。本文通过开展玄武岩纤维增强复材翼子板设计为以后汽车覆盖件轻量化材料应用提供参考。

（1）论述了玄武岩纤维增强复合材料的力学特性、理论基础、研究目的和国内外研究现状。

（2）使用HyperWorks软件对汽车翼子板进行有限元模型建立，并分析高强钢汽车翼子板的刚度和自由模态。同时进行玄武岩纤维增强复合材料翼子板铺层设计并分析其刚度及自由模态，将两组分析结果进行对比，分析结果表明使用玄武岩纤维材料不仅使提高了汽车翼子板刚度和自由模态，并且还减少了42.7%的重量。

（3）对玄武岩纤维增强复合材料翼子板进行铺层角度、铺层顺序优化设计。通过优化得到了玄武岩纤维增强复合材料翼子板的最优设计。与高强钢翼子板相比，优化后的后背门在不降低刚度和模态的情况下减重比例高达60.6%。

关键词：汽车翼子板；优化设计；玄武岩纤维；仿真分析

Abstract

In recent years, the development of industrialization led to the rapid expansion of the automotive industry, the car brought about by the environmental problems are more serious. In order to solve this problem, the use of automotive lightweight materials will undoubtedly significantly improve vehicle emissions. Basalt fiber is a green, environmentally friendly high-performance fiber, which not only has high mechanical properties, while the insulation, corrosion resistance and insulation properties also has outstanding advantages. In addition, the cost of basalt fiber is very good, is currently more and more manufacturers concerned. This paper provides a reference for the application of basalt fiber reinforced composite fender design for future application of lightweight material for automobile panel.

(1) discusses the mechanical properties, theoretical basis, research purpose and research status of basalt fiber reinforced composites.

(2) The finite element model of car fender was established by using HyperWorks software, and the stiffness and free mode of high strength steel car fender were analyzed. The results show that the use of basalt fiber material not only improves the stiffness and free mode of the car's fender, but also improves the stiffness and free mode of the fender , And also reduced the weight by 42.7%.

(3) the basalt fiber reinforced composite fender pavement angle, laying sequence optimization design. The optimum design of basalt fiber reinforced composite fender was obtained by optimization. Compared with the high-strength steel fender, the optimized backdoor has a weight loss ratio of up to 60.6% without reducing stiffness and mode.

Keywords: car fender; optimal design; basalt fiber; simulation

目 录

第一章 绪论 1

1.1玄武岩纤维复合材料研究背景 1

1.2 玄武岩纤维复合材料国内外研究现状 1

1.3 研究目的及意义 2

1.4 本文主要研究内容 3

第二章 玄武岩纤维增强复合材料综述 4

2.1 玄武岩的化学性能 4

2.2玄武岩纤维的力学性能 4

2.3玄武岩纤维的热性能 5

2.4本章小结 5

第三章 高强钢翼子板有限元建模与分析 6

3.1 有限元分析软件Hyperworks简单介绍 6

3.2高强钢翼子板有限元模型建立 6

3.3 高强钢翼子板有限元分析 7

3.3.1刚度分析 7

3.3.2自由模态分析 9

3.4 本章小结 10

第四章 玄武岩纤维复合材料翼子板有限元分析 11

4.1玄武岩纤维复合材料翼子板材料结构设计 11

4.2 玄武岩纤维复合材料翼子板有限元模型建立 11

4.3玄武岩纤维复合材料翼子板有限元结果分析 12

4.4本章小结 13

第五章 玄武岩纤维复合材料翼子板优化设计 14

5.1 玄武岩纤维复合材料翼子板轻量化设计优化方法 14

5.2 玄武岩纤维复合材料翼子板铺层角度优化 14

5.2.1铺层角度设计 14

5.2.2不同角度有限元分析结果 16

5.3 玄武岩纤维复合材料翼子板铺层厚度优化 16

5.4 玄武岩纤维复合材料翼子板优化结果分析 17

5.5 本章小结 18

第六章 总结与展望 19

6.1总结 19

6.2展望 19

致谢 20

参考文献 21

第1章 绪论

1.1玄武岩纤维复合材料研究背景

汽车轻量化技术的发展可以追溯到上世纪七十年代，轻量化技术给汽车行业带来了能源消耗的经济性提升与车辆性能的优化。有相关资料显示：当汽车质量降低10%时，燃油效率可提高6%-8%；整车重量每减少100公斤，可降低0.3-0.6升百公里油耗^[8]。可以说，在汽车行业竞争愈演愈烈的今天，轻量化技术将变成汽车行业发展的方向。在使用轻量化车身材料上，最开始的方法是将车身覆盖件转变为碳纤维、铝合金等相对于钢更轻的材料但使用成本较高。如果想实现彻底的车身轻量化，使用多种复合材料作为轻量化材料才能解决问题。

1980年以后，各大汽车制造企业投入大量财力物力展开了先进复合材料在汽车轻量化上应用的研究。复合材料的应用从制造汽车非承力部件转变为制造承力部件，先后成功研制复合材料板簧、驱动轴和复合材料车身。增强纤维复合材料隶属高分子复合材料，是由多种不同的高性能纤维作为增强体置于基体材料中复合制成，具有质量轻、强度高、耐腐蚀、耐高温、隔热等性质。纤维增强复合材料可以保障国家环保、国防力量和低碳发展 ^[1]，解决人们面对的国防、环境、运载等领域重大问题的必要材料之一。纤维增强复合材料技术扩展使用的兼容性在很大程度上可以看出一个国家国防事业、能源再利用和环保水平。近来全球高性能纤维丝及其复合材料相关产业快速发展，整体行业的总产值已达到3500亿美元并维持每年5-8%的速度快速增涨，正成为支撑全球经济快速发展的战略中坚力量^[2]。我国纤维复合材料的研究发展时间较短，不过在国家研究部门的推动和支持下，我国在纤维复合材料领域取得了很大的进展，部分纤维生产制造水平已经达到国际领先水平。

玄武岩纤维是一种新型的环保高性能纤维材料，其不仅具有很好的力学性能，同时拥有绝热性能、耐腐蚀性能以及绝缘性能。此外玄武岩纤维的价格只是碳纤维材料的1/5，很高的性价比让玄武岩纤维备受材料领域关注^[3]。现在汽车行业使用较多的碳纤维虽然拥有优秀的性能和很低的质量，但是其制作工艺复杂并且核心技术被发达国家垄断。玄武岩纤维作为一种与国外技术差距很小、制造成本低廉的复合材料。玄武岩纤维增强复合材料的发展，对于我国复合材料领域的崛起尤为重要。

1.2 玄武岩纤维复合材料国内外研究现状

从上世纪开始，俄罗斯等国家就开始研究玄武岩纤维。由于玄武岩纤维耐热性好、稳定高和优秀的力学性能，引起了俄罗斯等东欧国家的关注^[4]。上世纪八十年代，乌克兰开始量产玄武岩纤维，使玄武岩纤维进入工业生产中^[5]。目前仅有中国、俄罗斯、乌克兰、美国，四个国家能够量产玄武岩纤维材料^[6]。目前每年全球生产的玄武岩纤维的总量大概在两万吨左右^[7]。我国在2002年将玄武岩纤维及其复合材料列入国家高技术研究发展计划，并且在玄武岩纤维制造工艺方面取得了很大的进展 ^[8]。我国在纤维复合材料方面起步较晚，在目前应用较为广泛的碳纤维方面的技术与国外差距较大，生产的碳纤维无论是在性能方面还是种类方面都没有国际竞争力^[9]。高端碳纤维产品主要依靠进口，使得高性能纤维产品价格升高。相对于碳纤维的技术落后，我国在玄武岩纤维部分制造工艺技术上处于国际领先水平,对国外没有依赖度，这无疑会促进我国高性能行业的发展^[10]。但是由于我国研究玄武岩纤维的企业和机构不是很多，对玄武岩纤维的基础数据研究并不深入，导致后续的研究都是建立在国外的数据库上，这对以后我国玄武岩纤维的发展是不利的^[12]。