碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃仿真研究

发布时间：2020-06-17 02:57

【摘要】：碳纤维增强复合材料具有密度小、比强度高、比模量高等优异的材料性能,作为良好的轻量化材料,在航空航天、军工领域已有广泛应用,在汽车领域复合材料的应用也引起越来越多的关注。碳纤维复合材料不但质量轻,而且具有良好的吸能特性,适用于车身中的吸能构件。碳纤维增强复合材料由增强体和基体共同组成,在冲击载荷作用下吸能机制比较复杂,失效模式表现为:纤维断裂、基体破碎、层间分层等,本文应用LS-DYNA有限元分析软件对碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃吸能特性进行研究。本文首先确定碳纤维增强复合材料圆管试件尺寸、选择试验系统,进行轴向压溃试验。由于单向纤维布和编织纤维布铺层的碳纤维增强复合材料结构件吸能特性存在较大差异,本文分别选用单向带铺层圆管和编织布铺层圆管进行试验研究。对比分析两种圆管压溃破坏现象和位移-载荷曲线,确定几何尺寸相近情况下,单向带铺层圆管有较好的吸能特性,并将单向带铺层圆管轴向压溃试验结果作为之后数值模拟研究的评价标准。应用LS-DYNA有限元分析软件进行碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃的数值模拟研究,建立与试验研究一致的单层壳单元圆管轴向压溃模型,应用MAT54材料模型定义碳纤维增强复合材料。将数值模拟结果与试验结果进行对比,确定数值模拟方法的有效性和准确性。单层壳单元圆管轴向压溃模型能有效反应圆管轴向压溃过程中位移-载荷曲线结果,但不能宏观表现出层间分层这一失效模式。建立多层壳单元圆管轴向压溃仿真模型,应用tiebreak接触定义层间分层失效,并探究单元划分和圆管壳单元层数对仿真结果影响。结果表明多层壳单元圆管轴向压溃模型位移-载荷曲线与试验结果较为一致,且能直观地观察到圆管层间分层失效模式。薄弱环节设置是复合材料结构件吸能特性的重要影响因素,可确保轴向压溃过程中,复合材料结构件在该端发生稳定的渐进性破坏。本文研究端部带缺口的局部薄弱环节设置对圆管结构件压溃吸能特性的影响,设计缺口形状分别为矩形、半圆形、梯形,确定缺口形状对结构件吸能特性影响较小。在缺口形状为矩形的情况下,设置缺口截面尺寸分别为圆管截面尺寸的0.3、0.4、0.5、0.6、0.7倍,确定当缺口横截面尺寸与圆管横截面尺寸比值为0.6时,圆管结构件吸能特性最好。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB332
【图文】：

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第 1 章绪论第 1 章绪论背景辆汽车诞生以来，汽车制造工业飞速发展，汽车使用数量不断一种重要的交通工具。近年来随着我国经济水平的大步飞跃，也持续增加。如图 1.1 为 2000 年以来中国汽车产量的增长与知我国汽车销量逐年增长，年均增长 18 个百分比，在 2009 年，成为历年最高值。若按照年增长率 7%进行估算，预计 2020 将突破 3600 万辆[1]。中国汽车工业协会预测，2018 年中国汽的销售额继续第 10 年成为世界最大汽车生产国家。

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量化材料、轻量化制造工艺的研究上。汽车应用材料逐渐向密度较小的料转变，铝合金材料以低于钢材料密度三分之一的优势，在汽车工业发逐渐被使用。又由于铝合金有约等于钢 2 倍的比吸能，现已作为轻质材用于汽车零部件、车身覆盖件中[4][5]。随着材料制造生产工业的发展，复合材料以优异的材料性能成为如今的方向。复合材料是将两种或两种以上不同材料，通过复合工艺加工制造的材料，它既具有原材料性能，又具有由于复合工艺所产生的原材料不性能[6]。碳纤维增强复合材料以树脂作为基体，以碳纤维作为增强材料的金属材料相比，碳纤维复合材料有比强度和比模量高、质量轻、刚蚀性良好和各向异性等特点，已广泛应用在军工以及航空航天等工业[7纤维复合材料优异的材料性能，以及复合材料技术的日渐成熟，也已逐车轻量化应用材料[10][11], 如图 1.2 所示为碳纤维复合材料制成结构件和如车身、车门、方向盘、传动轴等。

【参考文献】