基于Optistruct的复合材料B柱外板的自由尺寸优化

采用高强轻质材料是实现汽车轻量化的主要途径之一。碳纤维增强复合材料( CFRP) 因其具备较高的强度、比刚度以及良好的吸能性，逐渐成为理想的车身替代材料之一。因此本次优化作品对某汽车B柱外板进行自由尺寸优化。

1. B柱静力学分析

    B柱的作用除了起支撑外，还主要承受汽车侧面的碰撞保护行人的安全，因此对B柱的抗弯性进行分析极为重要。本作品以固支梁的形式，如图1所示，两端固定，在B柱外板中间施加1200N 的均布载荷，进行分析再对其进行优化。

                                                     图1 受力模型

    B柱外板总厚度为2.4mm，一共铺设8层CFRP，每层后0.3mm，铺层角度顺序为[0°/90°/45°/-45°]₂，如图2所示，CFRP 的材料属性见图3。

                                                        图2 铺层设置

                                                       图3 材料属性

     求解得到图4的位移云图，发现最大位移再边缘处为3.142mm。

                                                      图4 位移云图

2.优化设计

    本作品以质量最小为优化目标，约束条件为最大位移为3mm，对复合材料铺层厚度进行优化。在optimization界面里free size里设计变量，设置最小成员尺寸为5mm，设置每层的厚度为最小为0.2mm，每层百分比范围在10%~60%之间，±45°层设置对称平衡设置，如图5所示。图6、7为约束和目标的设置。

                                                             图5 变量设置

                                                             图6 约束设置

                                                             图7 目标设置

    优化求解查看结果，图8为复合材料B柱外板总厚度的分布云图，最厚处为2.4mm，最薄处为0.2mm，可以看到B柱外板下板部位的厚度逐渐减少了，相比原B柱均匀厚度铺设，质量减轻了。

                                                            图8 总厚度分布云图

     还可以查看每一层的厚度，操作如图9所示。图10为第一层的厚度分布云图，可以看到最后处为0.3mm，最薄为0.0246mm。

                                                          图9 查看每层厚度分布操作界面

                                                               图10 Ply1厚度的分布

     本作品的优化仅是对B柱外板的尺寸进行优化，且工况只考虑了静载状态下，目前还有很多不足，后期还会继续完善。