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本文将碳纤维复合材料(CFRP)应用到轮辋结构设计中,以某赛车三片式车轮的CFRP轮辋结构为研究对象,完成了车轮轮辋结构设计、碳纤维铺层比例优化、碳纤维铺层厚度优化、碳纤维铺层顺序优化的整个设计优化流程。本文主要做了以下几个方面的工作:1)探究车轮结构的设计要求,根据汽车车轮试验规范,构建CFRP车轮结构弯曲疲劳工况、径向载荷工况和冲击工况下的有限元模型;2)研究复合材料变截面结构设计方法,考虑轮辋结构不同区域对材料和结构的不同要求,借助自由尺寸优化方法对轮辋结构进行分区优化,获得轮辋结构依据厚度的分区划分;3)对[0/45/-45/90]方向碳纤维铺层进行轮辋结构性能灵敏度分析,设置对结构性能最灵敏铺层方向为优化变量,从而简化优化变量,将复杂的多变量优化问题简化为多级少变量优化问题;4)借助ISIGHT集成优化平台,对静态工况下的轮辋结构进行不同分区各向纤维铺层厚度的比例优化;构造车轮结构静态、动态分析的RBF代理模型,采用NSGA-II优化方法对轮辋结构各分区厚度进行多目标优化;5)结合工艺约束,对碳纤维轮辋结构的纤维铺层顺序进行优化,对碳纤维轮辋结构分区分级优化结果进行重新解读,设置碳纤维结构的过渡铺层,进一步挖掘CFRP的结构设计潜力;本文以CFRP的“材料—结构”一体化设计为出发点,通过以上流程,完成了对参考车轮碳纤维轮辋结构的分区分级优化。借助于自由尺寸优化方法和灵敏度分析方法,细化结构分区并简化优化变量。同时,在轮辋分区厚度优化过程中采用代理模型和遗传算法优化方法,解决了车轮结构性能的多目标优化问题。优化后结构与初始结构相比,优化后车轮结构的比刚度(刚度/质量)有大幅提升,车轮结构的质量由初始的2.74kg降低到2.23kg,降低了 18.6%;车轮的动静态相应性能都有所提升,其中,用来衡量轮辋冲击工况下疲劳损伤的关键参数:最大材料应变,得到了很大程度的降低,从1.49E-02降低到6.98E-03,降低了近53%。