本文首先论述了国内外复合材料在汽车行业的应用及研究现状,分析了复合材料在汽车上轻量化应用的发展趋势,探讨了国内复合材料在汽车上应用的差距和不足,并提出了利用复合材料进行重型专用车车架轻量化设计的构想。 接下来结合课题研究需要分析了某重型专用车车架的结构特点,并对该车架分不同工况进行了有限元计算分析,求得了不同工况下车架的变形,为重型专用车车架的轻量化研究提供了设计依据。 根据复合材料的性能和发展趋势,采用碳/环氧先进复合材料分别对构件进行了设计分析研究。在此基础上,分别探讨了不同因素如截面尺寸和铺层方案对梁性能的影响,并对两种不同截面形式的构件进行了比较分析。为复合材料重型专用车车架的轻量化设计提供了基础。 在此基础上,根据某重型专用车车架轻量化设计的要求,在保证原车架结构形式不变的前提下,采用碳/环氧先进复合材料对该重型专用车车架进行了轻量化设计研究,得到了一种强度和刚度均满足设计要求的设计方案,该方案下复合材料车架较原钢制车架重量有较大幅度地降低,较好地实现了轻量化的设计要求。此外,还探讨了不同铺层方案对车架性能的影响。 为了得到更好的复合材料车架设计方案,本文采用有限元法对复合材料车架进行了进一步研究。首先以纵梁各部分单层厚度为设计变量,建立了以车架重量为目标函数的优化模型并进行了优化研究,取得了较好的优化效果。然后又以纵梁腹板单层厚度和各单层铺设角度为设计变量,建立了以车架重量为目标函数的优化模型,进行了组合优化设计研究,同样得到了较好的优化效果。所作研究为复合材料车架的精益设计提供了参考。 本文的研究成果为国内复合材料在汽车主要承载结构上的设计及应用提供了有价值的参考,同时也为新材料、新技术在汽车包括重型专用车上的推广应用及研究提供了良好的借鉴。