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轴向压缩下泡沫填充薄壁结构的实验研究与理论分析
| 论文题名： | 轴向压缩下泡沫填充薄壁结构的实验研究与理论分析 |
| 关键词： | 汽车车身;薄壁铝合金;碳纤维锥管;聚氨酯泡沫;力学性能 |
| 摘要： | 薄壁铝合金结构通过结构的塑形变形吸收能量，碳纤维增强复合材料（CFRP），依赖碳纤维复合材料的分层，撕裂吸收能量。功能梯度泡沫铝和硬质聚氨酯（PU）泡沫也作为良好的吸能材料应用于汽车中。本文对聚氨酯泡沫、碳纤维塑料、泡沫铝以及铝合金等材料进行了多方面的研究，主要研究工作如下： 首先，对不同的轻质材料作了广泛的调研，最终选取碳纤维复合材料、硬质铝合金、功能梯度泡沫以及硬质聚氨酯为本次的研究对象，并基于国标对这些材料做了相应的力学性能试验，得到了相应材料的力学性能参数，为实验结构设计与实验方案的确立提供依据。 其次，本文设计了圆形截面、正六边形截面和正方形截面的铝合金锥形管、碳纤维锥形管、硬质聚氨酯泡沫锥台、泡沫铝锥台以及聚氨酯泡沫填充的碳纤维管、泡沫铝填充铝管的准静态轴向压缩试验，分析比较了实验中的变形失效过程、力-位移曲线，计算所吸收的总能量和比吸能。研究发现碳纤维锥管的比吸能比铝合金锥型更高；圆形截面的聚氨酯泡沫填充碳纤维管吸能效果明显要好于六边形和方形填充管；同时也发现聚氨酯泡沫填充碳纤维管的比吸能比泡沫铝填充铝合金管的比吸能高出50％左右。 然后，研究了泡沫填充结构与单独的泡沫芯体和单独的薄壁结构相比在吸能效果上的优势，分析了内部泡沫芯体对外部薄壁结构在变形模式上和吸能能力上的影响，分别讨论了造成两种泡沫填充结构高于单独的泡沫芯体与单独的薄壁结构的总吸能量的原因。 最后，分析了碳纤薄壁结构在轴向静态压缩下的几种常见的失效模式，结合本次泡沫填充的碳纤维结构的变形模式，建立了该填充结构近似的力学模型，从碳纤维的轴向撕裂、失效叶片弯曲、碳纤维分层、以及碳纤维叶片与压头之间的摩擦四方面建立了碳纤维壳体的吸能表达式；拟合了PU泡沫在准静态压缩下的应力-应变曲线，推导了圆形截面泡沫芯体在压缩下的吸能公式；建立了泡沫芯体与碳纤维壳体分离时由于泡沫芯体剪切吸能公式；并基于上述公式推导了泡沫填充碳纤维结构的载荷-位移曲线，并分析了实验结果和理论模型结构存在差异的原因。 研究结果表明聚氨酯泡沫填充碳纤维薄壁结构是一种比泡沫铝填充铝合金薄壁结构更具潜力的吸能结构，可以为新能源汽车车身碰撞吸能结构提供应用选择。 |
| 作者： | 冯亚楠 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 干年妃 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2017 |
| 正文语种： | 中文 |
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