FSAE赛车复合材料碰撞缓冲结构研究

摘要

在赛车领域，当赛车发生碰撞等事故时会产生极大的冲击能量，故须安装增强缓冲吸能的防撞装置来吸收冲击能量保护车手的安全，而具有良好的能量吸收特性和设计性的纤维复合材料可以提高赛车极限运动的安全性能。本文基于大学生方程式赛车，探究复合材料缓冲结构的吸能特性，引导破坏进程、控制破坏模式，通过合理的设计优化，得到具有高吸收能量效率并且轻量的复合材料碰撞缓冲吸能结构。
　　由于不同的失效模式下的能量吸收效率不同以及复合材料各向异性特征，直接设计、制造以及预测复合材料结构在冲击载荷下的吸能表现具有一定的难度。因此本文首先从结构简单的薄壁圆柱壳入手，将其设定为复合材料吸能标准元件，探究具有不同铺层角度、不同铺层厚度、不同铺层纤维的结构在准静态压缩下表现出的缓冲吸能特性。通过准静态压缩试验，归纳并分析试验现象，探究复合材料缓冲吸能的工作机理，分析不同影响因素对复合材料碰撞缓冲性能的影响，概括复合材料圆柱壳体缓冲吸能的一般规律，给赛车前部缓冲结构的耐撞性提供设计依据。
　　根据复合材料吸能标准元件的准静态试验的结果和数据，对典型铺层方案的元件进行有限元模型建立和数值分析，通过ANSYS/LS-DYNA非线性有限元软件仿真复合材料结构在准静态压缩下的破坏吸能情况。此外，对复合材料吸能标准元件动态冲击工况也进行仿真，并对比分析动态冲击工况与准静态轴压工况下复合材料结构吸能特性的异同，为其进一步的吸能规律探究和设计优化铺垫基础。
　　在总结出复合材料结构的吸能特性的基本规律基础上，结合大学生方程式大赛的规则要求和整车布置需要，对赛车缓冲结构进行初步的基础设计，以此为基础，将优化将分为结构优化和铺层优化。利用LS-OPT优化软件，在响应面分析法的基础上，先通过结构优化得出单位质量比吸能最高的复合材料缓冲结构模型，再在这个基础上对模型加上最大加速度、吸能量、平均加速度的约束条件进行优化，得出符合条件最小质量的铺层，完成铺层优化，得到具有高效率、高比吸能、轻量的赛车复合材料缓冲吸能结构。最后对其进行工艺设计并进行模具和产品的实体加工制造，同时将制品进行准静态轴向压缩试验和动态落锤冲击测试，验证优化设计满足赛车安全要求。

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第1章 绪 论

1.1 课题研究背景

1.2 国内外研究现状及分析

1.3 课题主要研究内容

第2章 复合材料吸能原理及影响因素试验研究

2.1 复合材料结构吸收能量机理

2.2 复合材料缓冲结构吸能特性的影响因素

2.3 复合材料标准吸能元件准静态压缩试验及分析

2.4 本章小结

第3章 复合材料缓冲结构有限元建模与仿真

3.1 树脂基纤维材料数值仿真基本理论

3.2 ANSYS/LS-DYNA显示动力学分析方法

3.3 复合材料吸能标准元件分析模型的建立

3.4 准静态压缩工况和冲击工况仿真

3.5本章小结

第4章 FSAE复合材料缓冲吸能结构设计及优化

4.1 引言

4.2 复合材料缓冲结构基础设计

4.3 优化理论与方法

4.4 结构优化设计

4.5 铺层优化设计

4.6 本章小结

第5章 复合材料缓冲结构工艺设计及试验验证

5.1 结构工艺设计

5.2 复合材料缓冲结构准静态压缩测试

5.3 复合材料缓冲结构动态冲击试验

5.4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

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