电动方程式赛车一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构研究

摘要

大学生方程式汽车大赛（Formula Society of Automotive Engineering，FSAE）是面向大学生的一项综合性教育赛事。赛车的速度高、加速快，尤其是电动方程式赛车，由于电机自身的工作特点，容易实现无级变速且动力强劲，百公里加速时间可以达到仅1.7s。所以，电动方程式赛车的安全问题不容忽视。复合材料具有耐撞、高强度、容易实现轻量化等特点，在提高结构吸能性方面具有显著的优势。
　　本文以提高电动方程式赛车碰撞缓冲吸能结构的轻量化和耐撞性为研究目标，通过仿真与实验分析复合材料吸能特性影响因素，设计电动方程式赛车一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构，并通过有限元分析和物理测试实验优化其几何结构和铺层方案。
　　制作了复合材料基础薄壁管元件，利用准静态压缩实验检测其在不同影响因素下的失效模式，根据实验结果分析管件的破坏机理和吸能特性，探究圆锥半角、壁厚和纤维编织方式等因素对管件吸能性的影响，研究不同因素对复合材料破坏机理的影响。
　　建立了复合材料基础元件的三维模型和有限元模型，分析准静态工况和冲击工况下管件的吸能特性及失效模式，通过仿真结果与准静态实验对比分析后发现结果相近，失效模式相同，保持了很好的一致性。
　　根据整车布置方案与 FSAE比赛规则，设计了电动方程式赛车的单体壳，确定了赛车前隔板的外形轮廓，并以该轮廓为基准设计一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构，利用ANSYS/ACP和ANSYS/Workbench LS-DYNA优化其几何结构和铺层方案，在满足设计要求的同时，实现轻量化设计。
　　加工制作一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构，利用准静态实验与冲击实验测得其吸能特性，根据设计目标与约束条件，选定轻量化的、满足要求的设计方案，完成电动方程式赛车一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构的设计。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外研究现状

1.3 本文的主要研究内容

第2章 复合材料管状结构吸能特性影响因素分析

2.1 复合材料的失效模式

2.2 准静态实验与实验结果分析

2.3 本章小结

第3章 复合材料吸能基础元件数值分析与对比

3.1 显示动力学分析

3.2 碳纤维矩形薄壁管件圆角大小结果对比

3.3 复合材料圆锥形基础元件数值分析与对比

3.4 本章小结

第4章 赛车一体式碰撞缓冲吸能结构设计与分析

4.1 FSAE赛车碰撞缓冲吸能结构简介

4.2 一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构的设计与分析

4.3 复合材料防侵板铺层设计

4.4 本章小结

第5章 赛车一体式碰撞缓冲吸能结构的加工与测试

5.1 复合材料加工工艺

5.2 一体式碰撞缓冲吸能结构的加工制作

5.3 一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构的准静态测试

5.4一体式复合材料碰撞缓冲吸能结构的冲击测试

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

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致谢