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原文传递椰子中果皮吸能特性及其在三明治结构中的应用研究

论文题名：	椰子中果皮吸能特性及其在三明治结构中的应用研究
关键词：	椰子果皮吸能特性;三明治结构;抗撞性;汽车安全碰撞
摘要：	近年来随着环境的不断恶化，人们开始寻找安全、环保的轻量化车身材料。在自然界中是否存在一种天然可回收的绿色能量吸收材料呢？通过调查研究发现，椰子跌落与地面接触时的速度可以达到60~80km/h，自然满足了汽车安全碰撞法规中的要求，是一种天然的碰撞吸能材料。因此，本文对椰子中的主要吸能材料——中果皮展开研究。　　首先，对椰子中果皮的吸能性能和材料参数进行了研究。制作了90 kg/m3~220 kg/m3不同密度的试件，给出了数码显微镜下的微观结构图，并分别对径向、切向和纹理方向（椰子壳纤维）的试件进行了准静态压缩实验，压缩速度为2mm/min。试验结果显示，椰子中果皮在三个不同方向具有不同的力学性能，而它在纹理方向上表现出明显的多孔材料的吸能特性；在切向和径向，椰子中果皮表现了具有类似金属材料的特性。同时，基于实验数据计算得到了椰子中果皮的杨氏模量和泊松比，纹理方向的杨氏模量高于其他两个方向。研究表明椰子中果皮材料是一种潜在的天然能量吸收材料，尤其沿纹理方向，表现出了更好的吸能特性。　　其次，对以椰子中果皮为夹芯、金属材料为面板的三明治结构进行了静态实验研究。沿椰子中果皮吸能最好的纹理方向来加工结构的芯层，芯层厚度为厚度为20mm，上下面板选为 SUS304不锈钢和低碳钢，对制作好的夹层结构进行了准静态压缩实验和三点弯曲实验。根据准静态实验结果，得到了峰值力 Fmax和结构总吸能 Ej，并对试件的变形和失效模式进行了分析。此外，对中果皮夹芯的不同面板夹层结构也进行了三点弯曲试验，实验发现当中果皮纤维密度较高时，夹心梁的弯曲强度更好。对比了中果皮夹芯结构与铝合金瓦楞夹层板，结果显示天然环保可回收的中果皮夹芯结构比铝合金瓦楞板具有更好的吸能特性。　　最后，对椰子中果皮为夹芯、复合材料为面板的三明治结构进行动态实验研究。在低速冲击试验下,采用椰子中果皮为夹芯、复合材料为面板的夹层结构。结果表明,在质量相似的情况下,试样的夹芯越厚吸能性能越好。增大冲击能量，试验的载荷位移曲线出现三个峰值，其中后者数值大于前者。研究发现失效损伤模式为：(1)基体损伤(基体开裂)；(2)面板与夹芯剥离；(3)上下面板处纤维断裂；(4)由于冲头击穿，夹芯发生剪切破坏。　　椰子跌落与地面接触时的速度自然满足了汽车安全碰撞法规中的要求，是一种天然的碰撞吸能材料。研究表明：椰子中果皮沿纤维方向具备更加优越的吸能特性，对比发现椰子中果皮夹芯三明治结构比铝合金瓦楞结构具有更好的吸能特性。今后在车身材料选取方面，可以充分考虑自然界中的绿色环保高性能材料，更好地实现安全、环保和节能的设计理念。
作者：	阮春长
专业：	车辆工程
导师：	韩旭;侯淑娟
授予学位：	博士
授予学位单位：	湖南大学
学位年度：	2017
正文语种：	中文