碳纤维复合材料赛车车身覆盖件设计及原型制作

发布时间：2017-07-26 19:07

  本文关键词：碳纤维复合材料赛车车身覆盖件设计及原型制作

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【摘要】：碳纤维复合材料(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP)具有很高的比强度和比刚度,应用于替代传统的钢制轿车车身,可减轻其重量40~60%,相当于原重的1/3~1/6。本文以FSAE纯电动赛车车身覆盖件为研究对象,从设计、试验和制造等三方面着手研究,将碳纤维复合材料应用于FSAE纯电动赛车车身,以实现其轻量化的目的。本文首先基于NURBS曲线/曲面造型设计基本理论,考虑车身总布置,人机工程学及空气动力学等车身造型设计影响因素,利用CATIA三维建模软件进行了FSAE赛车车身覆盖件造型设计。根据碳纤维复合材料的可设计性,提出了多种车身覆盖件铺层设计方案。为保证车身覆盖件具有良好的抗冲击性能,根据Hashin失效准则及刚度退化方法,建立落锤冲击有限元模型,并将模拟结果与冲击预试验结果进行对比,验证模型的有效性。在此基础上结合不同铺层厚度、铺层比例和铺层角度,对层合板铺层方案进行数值模拟。考虑车身轻量化效果,结合仿真结果及实际车身覆盖件铺层可行性,得到具有较好的承载能力与抗冲击性能的[(0,90)]4铺层方式。再对层合板进行落锤冲击试验,试验结果表明:[(0,90)]4铺层方式发生整体失效吸收了36.78J能量,抗冲击性能佳,适用于FSAE赛车车身覆盖件铺层。最后利用真空辅助树脂传递技术(VARTM)根据[(0,90)]4铺层方式制作了FSAE赛车车身碳纤维车身覆盖件原型,并对覆盖件与车架装配进行了机械连接设计及强度校核。该赛车参加了2015FSAE全国大学生方程式电车赛。
【关键词】：碳纤维复合材料 车身覆盖件 铺层设计 抗冲击性能 原型制造(PM) 连接设计
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U469.696
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题研究背景及意义10-12
• 1.2 碳纤维复合材料概述12-13
• 1.3 碳纤维复合材料在车身上的应用及其影响13-14
• 1.3.1 碳纤维复合材料在车身上的应用13
• 1.3.2 碳纤维车身对纯电动汽车续航里程的影响13-14
• 1.4 纤维增强复合材料冲击性能国内外研究现状14-17
• 1.5 本课题主要研究内容17-20
• 第2章 FSAE赛车碳纤维车身覆盖件设计20-28
• 2.1 引言20
• 2.2 车身曲面造型原理20-23
• 2.2.1 曲面造型概述20
• 2.2.2 NURBS曲线/曲面方程20-23
• 2.3 FSAE赛车车身造型设计23-26
• 2.3.1 车身造型主要影响因素23-24
• 2.3.2 车身造型设计24-26
• 2.4 FSAE赛车碳纤维车身覆盖件铺层设计方案26-27
• 2.5 本章小结27-28
• 第3章 碳纤维复合材料铺层设计28-42
• 3.1 引言28
• 3.2 复合材料损伤分析28-30
• 3.3 复合材料有限元建模30-34
• 3.3.1 材料模型的选择与网格划分30-33
• 3.3.2 接触处理与施加约束33-34
• 3.4 复合材料层合板低速冲击仿真结果分析34-41
• 3.4.1 冲击响应过程及应力状态分析34-35
• 3.4.2 铺层厚度对层合板性能影响分析35-37
• 3.4.3 铺层角度对层合板性能影响分析37-39
• 3.4.4 铺层比例对层合板性能影响分析39-41
• 3.5 本章小结41-42
• 第4章 碳纤维车身覆盖件材料抗冲击性能试验研究42-56
• 4.1 引言42
• 4.2 复合材料能量吸收机理42-43
• 4.3 复合材料抗冲击性能试验方案43-47
• 4.3.1 试验用增强纤维与织物材料基本性能43-44
• 4.3.2 试验方案44-47
• 4.4 试验结果与讨论47-54
• 4.4.1 冲击损伤模式分析47-48
• 4.4.2 冲击能量对层合板性能影响分析48-52
• 4.4.3 冲击质量对层合板性能影响分析52-54
• 4.5 本章小结54-56
• 第5章 FSAE车身碳纤维覆盖件制作工艺与装配56-68
• 5.1 引言56
• 5.2 车用复合材料成型工艺56-58
• 5.2.1 复合材料成型工艺56-57
• 5.2.2 真空辅助树脂传递成型工艺57-58
• 5.3 碳纤维车身覆盖件的试制58-61
• 5.3.1 碳纤维车身覆盖件模具制作58-59
• 5.3.2 FSAE赛车车身覆盖件试制59-61
• 5.4 FSAE赛车车身覆盖件装配61-66
• 5.4.1 机械连接设计61-63
• 5.4.2 碳纤维车身材料开孔拉伸强度试验63-64
• 5.4.3 机械连接强度校核64-65
• 5.4.4 FSAE碳纤维车身覆盖件装配65-66
• 5.5 本章小结66-68
• 第6章 结论与展望68-70
• 6.1 结论68
• 6.2 展望68-70
• 参考文献70-74
• 致谢74-76
• 攻读学位期间参加的科研项目和成果76

【参考文献】

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本文编号：577872