面向车身应用的LGFRP复合材料制备工艺及力学性能研究

摘要

汽车轻量化是解决节能和环保问题的关键技术之一。纤维增强树脂基复合材料以其独特的轻量化效果，应用于车身结构已成为汽车工业车身轻量化技术的重要趋势。长玻璃纤维增强聚丙烯(LGFRP)复合材料具有可设计性强、回收性好、性价比高等优点，在汽车车身上的应用范围也越来越广。然而，目前针对LGFRP复合材料热模压成型工艺参数交互作用、材料设计参数及应变率效应对其力学性能的影响规律和开孔后的应力集中效应以及在车身结构的设计尚未见系统的研究及报道。本文以LGFRP复合材料在车身结构应用为研究背景，采用实验和数值分析相结合的方法，研究了LGFRP复合材料的制备工艺、力学性能、开孔连接性能，并进一步探索了该材料用于电动汽车电池包及防撞梁结构的轻量化设计。具体研究内容如下:
　　(1)热模压成型工艺参数对LGFRP复合材料力学性能的影响规律
　　为探索热模压工艺参数对力学性能的影响规律并获得最优的力学性能。本文以LGFRP复合材料的拉伸及弯曲强度作为评价指标，研究了预热温度、预热时间、压力以及保压时间四个工艺参数对评价指标的影响规律，其中对拉伸强度的贡献率由大到小的顺序排列为:预热温度、压力、预热时间、保压时间。对弯曲强度的贡献率由大到小的顺序排列为:压力、预热温度、保压时间、预热时间。当预热温度为215.5℃，预热时间为16min，压力为3.8MPa，保压时间为3min时，LGFRP复合材料的拉伸及弯曲强度值达到最优值。
　　(2)纤维含量及应变率对LGFRP复合材料力学性能的影响规律
　　汽车车身不同结构及部位对加载条件与力学性能需求具有明显的差异性，论文针对LGFRP复合材料可设计性强的特征，通过实验研究了纤维含量对LGFRP复合材料力学性能及失效模式的影响规律。并基于混合定律建立了可以准确计算或预测不同纤维含量下LGFRP复合材料力学性能的细观力学模型。进而详细研究了LGFRP复合材料力学性能分散性及相应的应变速率效应。
　　(3)LGFRP复合材料的开孔应力集中效应及失效模式研究
　　考虑到在汽车结构应用中的开孔连接问题，本文对LGFRP复合材料开展了开孔应力集中效应的研究。结合数字图像相关技术(DIC)，对开孔LGFRP复合材料进行了力学性能实验研究，其结果表明应力集中的影响区域4倍于开孔半径。应力集中系数随孔径的增加而增大，且小于同等条件下的金属材料的应力集中系数。进一步建立了包含损伤系数和开孔孔径的LGFRP复合材料孔边应力理论模型与数值分析方法，可以进一步用来研究不同纤维长度及含量的LGFRP复合材料开孔应力集中特性，为LGFRP复合材料开孔连接设计及安全评估提供设计依据。
　　(4)LGFRP复合材料在汽车结构应用的研究
　　基于上述材料基础性能研究，本文进一步开展了LGFRP复合材料电动汽车电池包及防撞梁的设计。在满足不同约束及法规要求下，LGFRP复合材料电池包比金属电池包减重约80％，LGFRP复合材料防撞梁比金属防撞梁减轻11.2％，因而具有较好的应用前景。

目录

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摘要

插图索引

附表索引

第1章 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 复合材料力学性能研究现状

1．3 复合材料在汽车零部件中的应用现状

1．4 本文研究目标和主要研究内容

第2章 热模压成型工艺参数优化设计

2．1 引言

2．2 LGFRP复合材料制备装备开发

2．3 LGFRP复合材料成型工艺参数设计

2．4 成型工艺参数优化及实验验证

2．4．1 响应面模型建立

2．4．2 响应面模型分析

2．4．3 参数优化及实验验证

2．5 本章小结

第3章 拉伸及压缩力学性能

3．1 引言

3．2 LGFRP复合材料试样制备

3．3 LGFRP复合材料拉伸力学性能研究

3．3．1 纤维含量影响规律

3．3．2 LGFRP复合材料分散性研究

3．3．3 LGFRP复合材料应变率效应研究

3．4 LGFRP复合材料压缩实验研究

3．5 本章小结

第4章 开孔应力集中效应及失效模式

4．1 引言

4．2 开孔应力集中效应研究

4．2．1 开孔LGFRP复合材料实验测试

4．2．2 开孔LGFRP复合材料应力集中效应理论模型

4．2．3 开孔LGFRP复合材料数值模拟研究

4．3 LGFRP复合材料开孔对力学性能及失效模式的影响规律

4．4 本章小结

第5章 在电动汽车电池包及防撞梁上应用

5．1 引言

5．2 LGFRP复合材料数值分析方法及实验验证

5．3 LGFRP复合材料电池包设计及分析

5．3．1 电池包数值计算模型

5．3．2 结果分析与讨论

5．4 LGFRP复合材料防撞梁碰撞分析

5．4．1 防撞梁数值计算模型

5．4．2 防撞梁性能评价指标和失效准则

5．4．3 分析结果与讨论

5．5 本章小结

结论与展望

参考文献

致谢

附录A 攻读博士学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读博士学位期间申请的专利

附录C 攻读博士学位期间所参加的科研项目