为减少汽车的能源消耗和对环境的污染，轻量化技术得到了广泛关注。复合材料，尤其是连续碳纤维增强复合材料的应用是实现汽车轻量化的重要途径。碳纤维是一种可设计性较强的复合材料，其铺层方式得到了国内外学者的广泛研究，苏州挪恩复合材料专注碳纤维领域，针对碳纤维部件的铺层优化有着丰富的实操经验。

       汽车作为人们的代步工具，是生活找那个必不可少的交通工具。随着当前技术的提升，汽车也在逐渐朝着轻量化的方向发展，而碳纤维就是当前汽车轻量化的首选材料。本次就针对碳纤维复合材料汽车顶盖的铺层优化来进行研究，了解碳纤维汽车顶盖的优化效果。

       初始模型雪压分析考虑到碳纤维性能和汽车顶盖轻量化要求，在初步设计阶段采用4层CC-P400－12作为环氧树脂LTC-6010A/B的增强材料，厚度约为1.0mm，并通过数值分析来校核顶盖刚度是否满足相关要求。

      根据模拟积雪压力时顶盖位移变化简图和最大变形位置的压力-位移曲线变化可知，在4层碳纤维汽车顶盖受压初始阶段具有较好的抗变形能力;当压力达到1.12kPa时，4层碳纤维复合材料汽车顶盖位移由1.27mm激增至18.63mm，这表明4层碳纤维汽车顶盖出现几何软化响应，发生屈曲现象；而后当压力达到1.18kPa后，4层碳纤维汽车顶盖刚度继续增加，最大变形达到24.17mm。由于4层碳纤维汽车顶盖在受压过程中出现屈曲现象，故无法满足雪压刚度要求。

      1、自由尺寸优化 

       在初始设计过程中，汽车碳纤维顶盖刚度能较好地满足刚度要求，通过自由尺寸优化来获取每种铺层角度的最佳铺层厚度。在自由尺寸优化过程中为复合材料建立与铺层角度相对应的几个超级层，该阶段每一铺层角度所在超级层厚度可连续变化。优化时，对各纤维铺层角度的铺层厚度进行优化，优化约束为汽车碳纤维复合材料顶盖任意节点位移，优化目标为汽车碳纤维复合材料顶盖质量最小。

       2、尺寸优化

       通过自由尺寸优化，能较好地确定每种铺层角度所需的铺层厚度，但由于层合板在制备过程中有一定的厚度要求，且铺层数量对制件的力学性能均有较大影响，所以研究中通过尺寸优化设计将制件单层厚度与设计变量之间的关系进行耦合分析，以获得每种铺层角度在给定铺层厚度条件下的最佳铺层数量。

       苏州挪恩复合材料不仅提供碳纤维部件加工，还提供碳纤维部件的设计与定制，利用ACE软件进行分析验证，在尺寸优化方面拥有很多成功案例。据挪恩复材介绍，在优化设计过程中，需要对每一纤维铺层角度的厚度变量都进行了计算，这才能最终确定每一纤维铺层角度所需的最佳铺层层数和碳纤维汽车顶盖所需设计的总的厚度尺寸。

       3、层组优化

       层组优化碳纤维的力学性能与纤维角度的排列顺序有着紧密的关系，在层组优化阶段，实际的目的是为了获得结构的最大刚度系数矩阵，从而使结构的刚度达到最大。在碳纤维 制备过程中，铺层结构设计应避免固化过程中由于弯曲、拉伸和扭转等耦合效应引起的翘曲变形和树脂裂纹，为此在铺层设计过程中应避免使用同一方向的铺层组，如果使用，应不多于4层。

      经自由尺寸优化、尺寸优化和层组优化之后，对碳纤维复合材料汽车顶盖再次进行雪压分析，分析结果表明，6层碳纤维复合材料汽车顶盖在进行数值分析的过程中，顶盖最大变形量为1.922mm，与钢制顶盖分析结果0.769mm对比可见，虽然变形量大于钢制顶盖变形量，但变形依然处于弹性范围之内，未出现明显的屈曲现象。且在整个分析过程中，6层碳纤维复合材料顶盖的位移变化趋势比4层碳纤维复合材料顶盖稳定，因此判断6层碳纤维顶盖未出现明显的屈曲现象，刚度能满足要求。

       通过优化使碳纤维顶盖在满足刚度及工艺制造等因素的条件下质量有了较大幅度的减小，钢制顶盖初始质量为10.944kg，汽车碳纤维顶盖优化设计前的设计标准质量为8.906kg，优化后顶盖质量降低至4.453kg，较设计标准质量减轻了50%，与钢制件相比减轻了59.3%，轻量化效果十分明显。

       结合最终的数据反馈，该汽车碳纤维顶盖铺层优化方案可行。