轻量化的汽车注塑复合材料车轮抗冲击性能的提升机理及设计理论

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    51875025
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    E0506.机械设计学
  • 结题年份:
    2022
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2022-12-31

项目摘要

The lightweight effect of the automotive wheel as a rotating unsprung component is significantly higher than that of sprung components. The development of composite wheels is an important way to achieve lightweight. The long fiber reinforced thermoplastic composite (LFT) has great potential in the lightweight design of the automotive wheel due to its lower cost. However, the constitutive relationship of LFT is complicated and there is a lack of design theory to improve impact toughness, which make the wheel have low ductility and easy to crack under the impact load. This has become a bottleneck problem in the research and development of automotive composite wheel. To solve above problems, the integrated simulation and design methods of the LFT wheel will be established to improve the impact resistance in this project. Firstly, the multi-scale constitutive model of the LFT with injection process will be established to reveal the load distribution mechanism and the cooperative response characteristic of the hybrid fibers and matrix in the LFT, and to explore the theory and method of toughening the LFT. Secondly, the analysis of the process and structure parameters to the injection residual stress is performed to reveal the influence rules. Then the transient stress simulation method integrating the interactions of material, process and structure under impact load will be constructed,which can be used in the toughening design of material, the selection of process parameters and the stiffness matching of the metallic insert and the LFT part. At last, the integrated simulation and optimal design methods of the material, process and structure for enhancing the impact resistance of the lightweight automotive composite wheel will be obtained. The achievements in this project may provide a novel way of the lightweight design of the automotive wheel and other carrying components, and are significant to promote the lightweight design of automobile.
作为簧下旋转件的汽车车轮其轻量化效果显著高于簧上零部件,发展复合材料车轮是实现车轮轻量化的重要途径。长纤维增强热塑性复合材料成本较低,用于车轮具有巨大轻量化潜力,但其本构关系复杂,且缺乏提升冲击韧性的设计理论,导致车轮结构韧性差、易开裂,成为研发瓶颈。本申请针对该问题,拟建立材料、工艺、结构一体化的抗冲击优化设计方法。首先建立注塑成型复合材料的多尺度本构模型,揭示长纤维增强热塑性复合材料中混杂纤维、基体的载荷分配机制和协同响应特性,探索其增韧理论和方法;并研究制造工艺及结构参数对车轮残余应力的影响规律,构建冲击载荷下综合考虑材料-工艺-结构耦合关系的车轮瞬态应力仿真方法,用于材料抗冲击韧性设计、工艺参数选择及车轮金属嵌件与复材部分刚度匹配等;最终形成抗冲击的轻量化汽车复材车轮材料、工艺及结构一体化优化设计方法。研究成果可为车轮和其他承载件轻量化提供新途径,对推进汽车轻量化具有重要意义。

结项摘要

本项目针对长纤维增强热塑性复合材料车轮抗冲击性能差的问题,基于细观代表性体积单元,揭示了不同纤维增强方式对复合材料力学性能的影响;基于样条试验结果,建立了反演纤维增强复合材料就位相本构特性的方法;联合模流分析软件、材料非线性分析软件以及有限元软件,准确映射增强纤维在复材车轮中的取向与分布,获得复材车轮随空间变化的材料各向异性属性,实现了长纤维增强热塑性复材车轮材料-结构-工艺一体化仿真,仿真结果与试验结果的误差小于4%,显著提升了仿真精度,为复材车轮设计方案的评估提供了有效方法,该联合仿真方法同样适用于其他注塑成型复合材料结构的性能仿真,可推动热塑性复合材料在汽车轻量化结构中的应用;仿真获得了车轮模内、模外注塑残余应力的规律及分布特点,分析了不同冲击载荷下注塑残余应力对车轮抗冲击性能的影响,结果表明对车轮进行13°抗冲击性能分析时可忽略注塑残余应力的影响;通过理论、仿真与试验分析,揭示了金属连接件与复材部分的载荷传递机理,实现了金属件与车轮复材部分的高性能连接;提出了灰色关联和主成分分析相结合的方法合理确定车轮多目标优化时各子目标的权重系数,以加权柔度最小化为目标实现车轮的多目标拓扑优化,获得多种具有良好抗冲击性能的车轮构型;提出了集成网格变形技术、混合代理模型建模方法、多目标粒子群优化算法以及多准则决策方法于一体的多目标结构优化设计方法,使所获车轮的优化结构在质量降低6.2%的情况下,最大应变降低了29.9%,显著提升其抗冲击性能。本项目提出的用于复材车轮的拓扑优化及结构优化方法同样适用于其他轻质材料车轮,可推动轻质材料车轮轻量化技术的发展。本项目探索了模压/注塑混合工艺成型复合材料车轮的抗冲击性能,初步研究表明其可满足车轮13°台架冲击试验的要求,为复合材料车轮的研发指出了新的途径。

项目成果

期刊论文数量(9)
专著数量(1)
科研奖励数量(0)
会议论文数量(4)
专利数量(0)
辐辋过盈装配应力对径向载荷作用下 钢制车轮强度的影响
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2022
  • 期刊:
    计算机辅助工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    罗锦涛;黄乐政;党斌;刘献栋;单颖春;姜二
  • 通讯作者:
    姜二
90-degree impact bench test and simulation analysis of automotive steel wheel
汽车钢轮90度冲击台试验及仿真分析
  • DOI:
    10.1016/j.engfailanal.2019.06.097
  • 发表时间:
    2019-11
  • 期刊:
    Engineering Failure Analysis
  • 影响因子:
    4
  • 作者:
    Gao Qian;Shan Yingchun;Wan Xiaofei;Feng Qizhang;Liu Xi;ong
  • 通讯作者:
    ong
连续纤维增强复合材料商用车轮的抗冲击性能仿真
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    计算机辅助工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    许多;刘献栋;单颖春;张悦;郜茜
  • 通讯作者:
    郜茜
Analysis on effect of injection residual stress on impact resistance of composite wheel made of long glass fiber reinforced thermoplastic
注射残余应力对长玻纤增强热塑性塑料复合轮抗冲击性能的影响分析
  • DOI:
    10.1080/13588265.2020.1757583
  • 发表时间:
    2020-05
  • 期刊:
    International Journal of Crashworthiness
  • 影响因子:
    1.9
  • 作者:
    Hu Daijun;Shan Yingchun;He Tian;Liu Xi;ong
  • 通讯作者:
    ong
An integrated multi-objective topology optimization method for automobile wheels made of lightweight materials
轻质材料汽车车轮集成多目标拓扑优化方法
  • DOI:
    10.1007/s00158-021-02913-3
  • 发表时间:
    2021-05
  • 期刊:
    STRUCTURAL AND MULTIDISCIPLINARY OPTIMIZATION
  • 影响因子:
    3.9
  • 作者:
    Zhang Yue;Shan Yingchun;Liu Xi;ong;He Tian
  • 通讯作者:
    He Tian

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其他文献

颗粒阻尼减振器对板扭转振动减振的仿真研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    系统仿真学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘献栋;谭德昕;单颖春
  • 通讯作者:
    单颖春
基于近场波束形成法的声发射源定位研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2012
  • 期刊:
    振动工程学报
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    何田;肖登红;刘献栋;单颖春
  • 通讯作者:
    单颖春
轮辋与轮辐间焊缝参数对钢制车轮弯曲应力影响的仿真分析
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2014
  • 期刊:
    计算机辅助工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘旺浩;单颖春;刘献栋
  • 通讯作者:
    刘献栋
传播波与倏逝波对全息重建影响的研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    --
  • 期刊:
    声学技术
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    刘献栋;邓江华;单颖春
  • 通讯作者:
    单颖春
长玻纤增强热塑性复合材料车轮径向载荷下的强度仿真
  • DOI:
    10.13340/j.cae.2015.05.005
  • 发表时间:
    2015
  • 期刊:
    计算机辅助工程
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    潘越;刘献栋;单颖春;汪小银;王杰功
  • 通讯作者:
    王杰功

其他文献

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单颖春的其他基金

轮毂电机驱动电动汽车车轮设计理论与方法
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    青年科学基金项目

相似国自然基金

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AI项目解读示例

课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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