复合材料薄壁结构的耐撞性研究

摘要

碳纤维增强复合材料(CFRP)在汽车碰撞安全和轻量化领域有着非常好的应用市场。由于碳纤维复合材料的技术还未完全理解，许多规律和问题尚未揭示清楚，急需开展一系列基础研究，揭示其失效模式和失效机理。因此，为提升复合材料的应用可行性和可设计性，本文针对纤维增强复合材料薄壁结构进行了一系列实验、仿真和理论研究，主要内容如下：　　(1)通过实验研究揭示径厚比D/T对薄壁铝/玻璃纤维/碳纤维圆管横向耐撞性能的影响。建立薄壁圆管的仿真模型，进一步分析其失效模式。对比分析薄壁铝/玻璃纤维/碳纤维圆管的耐撞性能和成本效益，为将来薄壁吸能结构设计提供指导。　　(2)通过实验研究载荷角度对薄壁铝/玻璃纤维/碳纤维圆管耐撞性的影响，进一步建立理论预测模型，研究薄壁圆管在斜向载荷下的力学行为和能量吸收特性，为轻量化薄壁结构耐撞性设计提供了新的思路　　(3)对四种不同的铝/复合材料混合圆管结构进行横向压缩试验。建立相应的有限元模型并验证。利用有限元模型进一步研究了混合比例和堆层顺序对铝/复合材料混合结构横向耐撞性能的影响。　　(4)通过实验研究泡沫铝填充金属/复合材料混合管的压溃行为，探讨泡沫铝与空金属/复合材料混合管的交互效应。在验证的有限元模型础上，系统地研究了泡沫铝密度、铝管厚度和CFRP管铺层数对泡沫铝填充混合管横向耐撞性能的影响。最后，对填充管进行离散优化设计，进一步提高了泡沫铝填充金属/复合材料混合管的横向耐撞性。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景和意义

1.1.1 耐撞性评价指标

1.1.2 薄壁吸能结构的研究现状

1.2 主要研究内容

1.3 主要特色与创新点

第2章复合材料弹性力学及材料损伤模型

2.1 引言

2.2 铝材料模型

2.3 复合材料弹性力学基础

2.3.1 各项异性弹性力学基本方程

2.3.2 各向异性弹性体应力-应变关系

2.4 复合材料损伤模型

2.4.1 层内纤维损伤模型

2.4.2 层间损伤模型

2.5 本章小结

第3章薄壁AL、GFRP和CFRP圆管横向耐撞性研究

3.1 引言

3.2 薄壁单管横向准静态压溃实验

3.2.1 试件准备

3.2.2 实验方法

3.3 载荷位移响应及变形模式

3.3.1 AL 管实验结果

3.3.2 GFRP 管实验结果

3.3.3 CFRP 管实验结果

3.4 压溃特性的对比分析

3.4.1 压溃力

3.4.2 能量吸收能力

3.4.3 耐撞性和性价比

3.5 有限元模型建模与验证

3.5.1 有限元模型描述

3.5.2 有限元模型验证

3.6 本章小结

第4章薄壁AL、GFRP和CFRP圆管的斜向横压耐撞性研究

4.1 引言

4.2 薄壁单管斜向准静态压溃实验

4.2.1 试件准备

4.2.2 实验方法

4.3 载荷位移响应及变形模式

4.3.1 AL 管实验结果

4.3.2 GFRP 管实验结果

4.3.3 CFRP 管实验结果

4.4 压溃特性的对比分析

4.4.1 压溃力

4.4.2 能量吸收能力

4.5 AL 管压溃力理论分析

4.5.1 斜向横压下 AL 管压溃力的分析

4.5.2 AL 管实验结果和理论解的对比

4.6 复合材料管吸能特性预测

4.6.1 初始峰值力

4.6.2 能量吸收曲线

4.6.3 实验与预测结果对比

4.7 本章小结

第5章金属/复合材料混合圆管的耐撞性能研究

5.1 引言

5.2 横向准静态压溃实验

5.2.1 试件准备

5.2.2 试验方法

5.3 实验结果和交互效应分析

5.3.1 失效模式和载荷位移响应

5.3.2 混合管的交互效应

5.4 有限元建模与验证

5.4.1 有限元模型描述

5.4.2 有限元模型验证

5.5 基于有限元模型的参数分析

5.5.1 混合比例的影响

5.5.2 铺层顺序的影响

5.6 本章小结

第6章泡沫铝填充金属/复合材料混合圆管的耐撞性研究

6.1 引言

6.2 横向准静态压溃实验

6.2.1 试件准备

6.2.2 试验方法

6.3 有限元建模和材料模型

6.3.1 有限元建模

6.3.2 材料模型

6.4 仿真验证和耐撞性分析

6.4.1 仿真验证

6.4.2 耐撞性分析

6.5 基于有限元模型的参数分析

6.5.1 泡沫铝密度

6.5.2 铝管厚度

6.5.3 CFRP 铺层数

6.6 泡沫填充管的离散优化

6.6.1 离散优化方法

6.6.2 泡沫填充管的离散优化描述

6.6.3 优化结果

6.7 本章小结

总结与展望

总结

参考文献

附录 A 攻读学位期间所获得的研究成果

致 谢