[发明专利]一种汽车防撞梁铺层优化设计方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种汽车防撞梁的层合板设计，特别涉及一种碳纤维复合材料防撞梁的铺层角度优化设计方法。

背景技术

随着经济社会的发展，人们生活消费水平显著提高，私家车成为人们日常生活中的主体。但同时也导致交通事故频频发生，因为车辆的不安全，而导致无辜的死伤，给家庭，乃至整个社会都造成巨大的损失。在这样的背景之下，汽车安全可靠性已经成为整个社会关注的重点，在对于其的设计安全性能方面也具有现实意义。

防撞钢梁的作用是当车受到侧面撞击时，车门很容易受到冲击而变形，为了提高车身的安全性能，就在车侧门夹层中间放置一两根非常坚固的钢梁，当车门受到撞击时，坚固的防撞杆能大大减轻侧门的变形程度，从而减少对车内乘员的伤害。简而言之，汽车的轻量化能减少能源消耗，节约成本、保护环境，它具有极高的研究价值，而材料和设计是其中重要的环节。

碳纤维复合材料(CFRP)作为一种新型复合材料，具有绝佳的韧性和抗拉强度，在汽车行业尤其得到广泛应用和研究。由于其材料结构上复杂，所以对于这类复杂结构的分析，运用遗传算法有及其显著的效果。

在碳纤维复合材料结构设计中，为了达到实际生产成本最低，性能最优的任务，对其的优化设计也成为重中之重。由于层合板的各个铺层角度的多变性的特点，难以确定最优化方案,所以多层板的铺层顺序优化是很有必要的。在层合板的设计中，铺层角度的顺序对层合板的强度起很大的影响。本发明关键设计是在于解决针对汽车防撞梁这一零件，层合板各铺层取何值时如何能够实现性能最优的特点。

发明内容

为解决现有技术存在的缺陷，本发明提供一种汽车防撞梁铺层优化设计方法。

一种汽车防撞梁铺层优化设计方法，其优化要素为：

一、设计变量：在层合板的优化过程中，其变量为层合板每一层的铺层角度，通过改变每一层铺层角度取值，从而改变层合板整体的结构性能；

二、约束条件：在染色体编码的过程中，所用铺层为标准铺层角度0°、±45°、90°铺层，在MATLAB编码中采用整数编码形式来表示铺层角度，分别用[0/1/2/3]表示铺层角度[-45°/0°/45°/90°]；

三、适应度函数：按照蔡-吴张量理论强度比方程：

(F_xxσ²_x+2F_xyσ_xσ_y+F_yyσ²_y+F_ssτ²_xy)R²+(F_xσ_x+F_yσ_y)R-1＝0 (1)

强度比小的单层最先破坏，即为最先失效层；由此，适应度值为层合板最小强度比值，适应度函数为：

G(i)＝min(R(i))，i＝1，2，...，n (2)

四、目标函数：在防撞梁分析中，优化目标是强度最大，由此可以得到目标函数为：

F(i)＝max(G(i))，i＝1，2，...，n (3)；

汽车防撞梁铺层优化设计步骤为：

步骤S1、运用MATLAB编程，产生关于铺层角度的种群；

步骤S2、MATLAB软件中调用ANSYS程序，将铺层角度的取值放入层合板的铺层中，分析计算，得到相应的应力值；

步骤S3、所求应力值带入MATLAB中，按照公式(1)计算，得到相应的强度比，以此可以得到目标函数f(i)，即适应度值的大小；

步骤S4、在MTALAB中运用遗传算法，对防撞梁层合板进行优化。

进一步地，步骤S4具体包括：

4.1基于适应度选择、交叉、变异操作，对旧的种群变化；

4.2根据变化后的种群，产生变化后种群对应的铺层角度，再次带入ANSYS软件中，分析计算所要求的应力值，重新按照公式(1)求得相应的适应度值，基于适应度值重组，生成重组后的种群；

4.3根据重组后的种群，再次按照公式(1)就算适应度值；

4.4重复步骤4.1，4.2，4.3至最大遗传代数gen＝MAXGEN；

4.5输出每一代的铺层角度、目标函数值，并画出相应的迭代次数与目标函数值的图像。

进一步地，所述步骤S4中目标函数的求解方法，蔡-吴张量理论的强度比方程：