AL/CFRP混杂层合板抗低速冲击性能研究

摘要

汽车轻量化技术是现在汽车工程行业探讨的重要方向，可以满足汽车产业对于节能和环保的需求，其中采用新型结构和轻质的材料是达到汽车轻量化的关键途径之一。由金属/复合材料混杂材料制备的纤维金属混合层板(Fibermetallaminates，即FMLs)被愈发广泛地引入到航空航天和地面交通领域，该结构兼顾了复合材料和金属的优势，将金属的低成本、良好的韧性和抗疲劳性与复合材料出色的强度和刚度性能相结合，在增强金属构件强度的同时改善了复合材料的韧性和抗疲劳性能，具有在轻量化车身设计中广泛应用的潜力。本文以铝合金和机织碳纤维复合材料所形成的纤维金属混杂材料层合板为研究对象，对其开展了抗低速冲击性能的实验及仿真研究，主要完成工作如下：　　(1)选择铝合金(Aluminum，即AL)和平纹机织碳纤维复合材料(Carbonfiberreinforcedplastic，即CFRP)作为原材料，利用模压工艺完成了铝合金/碳纤维(AL/CFRP)混杂材料层合板的制备，通过一系列的低速冲击实验揭示了冲击能量、金属层的位置、CFRP层的厚度和冲击锤头等几何参数对于混合结构的抗冲击性能的影响规律。　　(2)基于低速冲击实验结果分析，根据CFRP的变形特征和失效特点，考虑到CFRP各向异性的材料特性，基于连续介质力学，开发了CFRP的连续渐进损伤本构模型；针对AL材料，采用了弹塑性本构模型(其中考虑了铝合金破坏以后的失效)；同时，考虑了AL/CFRP混杂层合板的层间失效，针对胶层界面材料采用了基于粘接域理论的本构模型(Cohesive zone model)；进一步通过实验结果与有限元仿真结果进行对比，验证了材料本构和数值模型的准确性。　　(3)受到自然界螺旋形叠层仿生结构的启发，结合AL/CFRP混杂材料中的CFRP铺层方式具有可设计性，通过改变AL/CFRP混杂材料层合板中CFRP的铺层角度、铺层顺序、冲击能量以及冲击面板等设计变量，通过细致的实验和仿真研究对其抗低速冲击性能进行了细致地研究，为AL/CFRP混杂材料层合板结构的设计提供了研究基础。

目录

声明

第1章绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外相关领域的研究现状

1.2.1 试验研究

1.2.2 理论研究

1.2.3 仿真模拟

1.3 本文的主要研究内容

1.4 本文的特色与创新性工作

第2章复合材料相关理论基础

2.1 引言

2.2 弹性力学相关基础

2.2.1 各向异性材料弹性力学基础

2.2.2 各向异性弹性体的应力应变关系

2.2.3 正交各向异性材料的工程弹性常数

2.3 复合材料力学分析

2.3.1 单层复合材料处于平面应力下的应力-应变关系

2.3.2 单层正交各向异性复合材料的强度理论

2.4 本章小结

第3章Al/CFRP混杂层合板抗低速冲击的实验研究

3.1 引言

3.2 试件制备及实验方法

3.2.1 试件制备

3.2.2 实验方法

3.3 典型的冲击响应

3.4 实验结果分析

3.4.1 不同材料的影响

3.4.2 铝板不同相对位置的影响

3.4.3 FMLs 中 CFRP 层厚度的影响

3.4.4 不同冲击锤头的影响

3.5 本章小结

第4章AL/CFRP混杂层合板的有限元仿真研究

4.1 引言

4.2 Al 和 CFRP 的本构模型相关

4.2.1 AL 的本构模型介绍

4.2.2 复合材料的本构模型相关

4.3 材料参数的获取和有限元模型建立

4.3.1 AL 和 CFRP 的材料参数获取

4.3.2 有限元模型的建立

4.4 仿真模型的结果验证

4.4.1 单一 CFRP 板的有限元仿真验证

4.4.2 单一 AL 板的有限元仿真验证

4.4.3 混合结构板的有限元仿真验证

4.5 本章小结

第5章AL/CFRP混杂层合板的仿生研究结构设计

5.1 引言

5.2 FMLs 中 CFRP 层铺层角度的实验研究

5.2.1 试件准备

5.2.2 实验结果分析

5.3 螺旋仿生结构的有限元仿真分析

5.3.1 单一 CFRP 板的螺旋结构仿真

5.3.2 FMLs 中 CFRP 层为螺旋铺层的仿真分析

5.4 本章小结

总结与展望

参考文献

致 谢