<strong>Al/CFRP</strong>混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计

doi:10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.090

工程设计学报

2022, Vol. 29

Issue (6): 720-730 DOI: 10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.090

优化设计

Al/CFRP混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计

张正峰^1,²(

),宋小雨³,袁晓磊¹(

),陈文娟²,张伟东⁴

^1.长安大学汽车学院，陕西西安 710064
^2.陕西汽车控股集团有限公司，陕西西安 710042
^3.中铝材料应用研究院有限公司，北京 102209
^4.上海捷能汽车技术有限公司，上海 201804

Reliability optimization design for crashworthiness of Al/CFRP hybrid thin-walled structure

Zheng-feng ZHANG^1,²(

),Xiao-yu SONG³,Xiao-lei YUAN¹(

),Wen-juan CHEN²,Wei-dong ZHANG⁴

^1.School of Automobile, Chang’an University, Xi’an 710064, China
^2.Shaanxi Automobile Holding Group Co. , Ltd. , Xi’an 710042, China
^3.Chinalco Material Application Research Institute Co. , Ltd. , Beijing 102209, China
^4.Shanghai Jieneng Automobile Technology Co. , Ltd. , Shanghai 201804, China

全文: PDF(3798 KB) HTML

摘要：

轻量化是实现汽车产业向安全、节能、环保发展的一个重要途径。Al/CFRP（carbon fiber reinforced plastic，碳纤维增强复合材料）混合材料能够在提升轻量化效果的同时兼顾材料成本和结构耐撞性能。为探索方形截面Al/CFRP混合薄壁结构的最佳组合方式，首先，制备了Al方管、CFRP方管和Al/CFRP混合方管，并开展准静态压溃实验。然后，建立能够精确模拟Al/CFRP混合方管压溃响应的有限元模型。最后，将试验设计方法、代理模型技术、多目标优化算法和蒙特卡罗模拟技术相结合，对Al/CFRP混合方管分别进行多目标确定性与可靠性优化设计，并对效果较好的可靠性优化解进行仿真验证。准静态压溃实验结果表明，Al/CFRP混合方管具有优异的耐撞性能；优化结果表明，可靠性优化解的约束可靠度相比于确定性优化解提高了10.96%，大大降低了失效概率，具有更强的实用性。研究结果有望对Al/CFRP混合薄壁吸能构件的优化设计提供参考。

关键词： Al/CFRP（碳纤维增强复合材料）混合材料; 有限元分析; 可靠性; 优化设计

Abstract:

Lightweight is an important way to make automobile industry develop towards safety, energy conservation and environmental protection. The Al/CFRP (carbon fiber reinforced plastic) hybrid material can improve the lightweight effect while taking into account the material cost and structural crashworthiness. In order to explore the best combination mode of Al/CFRP hybrid thin-walled structure with square cross section, firstly, Al square tubes, CFRP square tubes and Al/CFRP hybrid square tubes were prepared, and quasi-static crushing experiments were carried out. Then, the finite element model that could accurately simulate the crushing response of Al/CFRP hybrid square tube was established. Finally, the multi-objective certainty and reliability optimization design for the Al/CFRP hybrid square tube was carried out by combining experimental design method, agent model technique, multi-objective optimization algorithm and Monte Carlo simulation technology, and the reliability optimization solution with good effect was verified by simulation. The quasi-static crushing experiment results showed that the Al/CFRP hybrid square tube had excellent crashworthiness; the optimization results showed that the constraint reliability of the reliability optimization solution was 10.96% higher than that of the certainty optimization solution, which greatly reduced the failure probability and had stronger practicability. The research results are expected to provide a reference for the optimal design of Al/CFRP hybrid thin-walled energy-absorbing components.

Key words: Al/CFRP (carbon fiber reinforced plastic) hybrid material finite element analysis reliability optimization design

收稿日期: 2022-05-17 出版日期: 2023-01-06

CLC:

TB 333

基金资助: 陕西省科技重大专项(2020zdzx06-01-01);陕西省自然科学基金资助项目(2020JQ-368);长安大学中央高校基础研究基金资助项目(300102221201)

通讯作者: 袁晓磊 E-mail: zhangzf1979@yeah.net;yuanxiaolei@chd.edu.cn

作者简介: 张正峰（1979—），男，甘肃兰州人，高级工程师，硕士，从事汽车制造工艺设计与材料应用研究，E-mail: zhangzf1979@yeah.net，https://orcid.org/0000-0002-0991-4453

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引用本文:

张正峰,宋小雨,袁晓磊,陈文娟,张伟东. Al/CFRP混合薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计[J]. 工程设计学报, 2022, 29(6): 720-730.

Zheng-feng ZHANG,Xiao-yu SONG,Xiao-lei YUAN,Wen-juan CHEN,Wei-dong ZHANG. Reliability optimization design for crashworthiness of Al/CFRP hybrid thin-walled structure[J]. Chinese Journal of Engineering Design, 2022, 29(6): 720-730.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/10.3785/j.issn.1006-754X.2022.00.090 或 https://www.zjujournals.com/gcsjxb/CN/Y2022/V29/I6/720

图1 Al/CFRP混合方管几何构型示意

表1 各试样制备方案

图2 Al/CFRP混合方管制备流程

表2 各试样最终的几何尺寸参数

图3 轴向准静态压溃实验装置

图4 各试样的压溃过程及载荷—位移曲线

图5 基于ABAQUS/Explicit用户子程序（VUMAT）的CFRP层内失效实现流程

参数	数值
$t n 0$ /MPa	54
$t s 0$ /MPa	70
$t t 0$ /MPa	70
$G n c$ /MPa	504
$G s c$ /MPa	1 556
$G t c$ /MPa	1 556
$η$	2.284

表3 CFRP层间失效模型参数

表4 AA6061-O铝合金材料参数

表5 CFRP的弹性参数和强度参数

参数	数值
G₁₂/MPa	8 400
S₀/MPa	71
$σ ? y 0$ /MPa	115
$r 12$	0.154
C	3 080
a	0.810 6

表6 CFRP的面内剪切参数

参数	数值
$G f 1 +$	155
$G f 1 -$	255
$G f 2 +$	155
$G f 2 -$	255

表7 CFRP的面内损伤断裂参数 (kJ/m2)

图6 Al/CFRP混合方管轴向压溃有限元模型

图7 Al/CFRP混合方管轴向压溃的仿真与实验结果对比

表8 Al/CFRP混合方管耐撞性能指标的仿真与实验结果对比

表9 Al/CFRP混合方管的试验设计样本点及响应

耐撞性能指标	代理模型构建方法	精度评价指标
耐撞性能指标	代理模型构建方法	$R 2$	R_MSE
F_max	RSM	0.911 8	0.105 6
	Kriging	0.831 4	0.116 7
	RBF	0.753 2	0.249 6
W_s	RSM	0.689 3	0.345 6
	Kriging	0.904 7	0.100 2
	RBF	0.758 3	0.255 2
λ_c	RSM	0.806 5	0.185 6
	Kriging	0.926 3	0.099 8
	RBF	0.796 5	0.213 5

表10 基于不同方法的Al/CFRP混合方管耐撞性能指标代理模型的精度对比

图8 Al/CFRP混合方管多目标确定性优化寻优过程

图9 基于不同优化算法的Al/CFRP混合方管多目标确定性优化的Pareto前沿最优解集对比

表11 Al/CFRP混合方管多目标确定性优化的最优解

表12 Al/CFRP混合方管多目标可靠性优化设计变量的初始值及其概率分布

图10 基于NSGA-Ⅱ的Al/CFRP混合方管多目标可靠性寻优过程

图11 Al/CFRP混合方管确定性与可靠性优化的Pareto前沿最优解集对比

表13 Al/CFRP混合方管的确定性与可靠性优化最优解对比

图12 基于可靠性最优解的Al/CFRP混合方管压溃过程仿真结果

图13 基于可靠性最优解的Al/CFRP混合方管的变形模式和载荷—位移曲线仿真结果

表14 基于代理模型和有限元仿真的Al/CFRP混合方管耐撞性能指标对比

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