泡沫填充CFRP薄壁管的轴向压溃研究

摘要

随着汽车行业车用新材料技术的迅速发展，质量轻、高效吸能的复合材料在车身覆盖件及结构件的应用逐渐普及。其中碳纤维增强复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）薄壁管作为轻质的吸能结构可以应用在汽车的吸能部件上，具有良好的碰撞缓冲吸能作用，这对实现汽车的轻量化，降低能耗具有重要意义。 本文主要运用了实验的方法，首先对同一批次的碳纤维增强复合材料层合板在万能实验机上进行了拉伸、压缩、剪切基础力学性能实验，经过实验数据处理得到了材料的弹性模量、泊松比等基本参数；然后，对倒角大小为0°、30°、45°、60°的复合材料薄壁管的准静态轴向压缩实验进行吸能性比较；其次，在倒角大小为45°、外径为30mm的情况下，对长度分别为80mm、100mm、120mm的三种不同长径比的薄壁管进行了轴向压缩的吸能性比较；最后，运用金属泡沫铝和非金属硬质聚氨酯泡沫两种材料对复合材料薄壁管进行填充，比较了不同材料填充圆管的吸能效果；结合LS-DYNA有限元仿真的方法对圆管轴向压缩进行了仿真分析。 实验结果发现：倒角大小为45°的薄壁管压溃峰值力最小，载荷力—位移曲线最平稳，吸能性稳定；长径比越小达到峰值力的速度越快同时也是最大的，反之亦然；金属泡沫铝填充的薄壁管的压溃峰值力是未填充的1.2倍左右，并且载荷力—位移曲线浮动较大，吸能效果不稳定；硬质聚氨酯泡沫填充的薄壁管的压溃峰值力与未填充薄壁管的峰值力差别很小，且载荷力—位移曲线的波动相对平稳，总的能量吸收提高了11%左右；考虑到泡沫材料的制造和成本因素，可以初步判定金属泡沫铝填充碳纤维增强复合材料薄壁管的吸能组合结构不合适，非金属硬质聚氨酯泡沫作为复合材料圆管的填充材料可以有效提高能量吸收能力；在仿真计算结果的力-位移曲线与实验类似，峰值力误差在5%之间，压溃破坏模式为“开花式”，验证了仿真结果的准确性。

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摘 要

Abstract

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 碳纤维复合材料薄壁管的国内外研究现状

1.3 研究方法及研究内容

2 CFRP有限元法

2.1 复合材料力学性能介绍

2.2 材料模型的概述

2.2.1 碳纤维复合材料有限元模型

2.2.2 失效准则

2.2.3 失效与接触

2.3 本章小结

3 CFRP基础力学性能实验

3.1 实验样件准备

3.2 实验设备与步骤

3.3 CFRP力学性能实验结果

3.3.1 准静态拉伸实验结果

3.3.2 准静态压缩实验结果

3.3.3 准静态剪切实验结果

3.4 本章小结

4 CFRP薄壁管准静态压缩实验研究

4.1 不同倒角形式的压溃研究

4.1.1 实验样件准备

4.1.2 实验方法

4.2 准静态压缩实验结果与分析

4.2.1 准静态轴向压缩实验的载荷-位移曲线比较

4.2.2 不同倒角大小的薄壁管对峰值力的影响

4.2.3 不同倒角大小的薄壁管对失效模式的影响

4.2.4 不同长径比的薄壁管的吸能性分析

4.2.5 不同长径比的薄壁管对失效模式的影响

4.3 本章小结

5 泡沫填充的CFRP薄壁管准静态轴向压缩研究

5.1 实验样件选择与实验准备

5.2 泡沫材料力学性能介绍

5.3 泡沫铝填充CFRP薄壁管的准静态压缩研究

5.3.1 泡沫铝填充薄壁管的压缩吸能性分析

5.3.2 泡沫铝填充薄壁管的失效模式研究

5.4 聚氨酯泡沫填充CFRP薄壁管压缩吸能性分析

5.4.1 聚氨酯泡沫填充薄壁管的压缩吸能性分析

5.4.2 聚氨酯泡沫填充薄壁管的失效模式研究

5.5 不同填充材料的薄壁管的吸能性比较分析

5.6 本章小结

6 实验结果与仿真结果的对比

6.1 仿真软件介绍

6.2 碳纤维复合材料圆管的仿真分析

6.2.1 CFRP薄壁管有限元建模

6.2.2 仿真与实验结果对比

6.3本章小结

总结与展望

参 考 文 献

致 谢

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