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原文传递碳纤维复合材料防撞梁低速碰撞损伤及结构改进研究

论文题名：	碳纤维复合材料防撞梁低速碰撞损伤及结构改进研究
关键词：	汽车防撞梁;结构优化;碳纤维复合材料;低速碰撞;渐进损伤;失效判定
摘要：	由于燃油车的环境污染和石油资源的不可再生，国家大力倡导和发展新能源产业，电动汽车迎来了自己的春天，随着销量的不断增长，弊端也日渐凸显，续航里程短、充电难和充电慢等问题成为了电动汽车发展的阻碍。因实现同时拥有大容量与轻质量的电池技术一直未能出现，汽车轻量化成为了电动汽车厂商重点关注的问题之一。保证汽车安全性和使用耐久性是进行汽车轻量化的前提条件，汽车碰撞安全是消费者购买汽车最为关注的指标之一，提升碰撞安全性能是汽车行业发展过程中的必然选择。复合材料具有更轻的质量和更好的力学性能，是汽车轻量化理想的材料，在实际应用中也越来越广泛。　　防撞梁是汽车前端重要的吸能装置，对保证汽车碰撞安全具有重要作用。传统钢制防撞梁重量大，使用复合材料可大幅度减轻防撞梁重量，但复合材料具有脆性，容易出现损伤，损伤后的复合材料物理性能下降，降低了防撞梁在碰撞中的保护作用。为了在防撞梁轻量化的同时保证其碰撞性能，论文主要针对碳纤维复合材料防撞梁在低速碰撞中的损伤问题进行研究，探究碳纤维复合材料防撞梁铺层层数、铺层角度以及嵌入铝合金材料层等因素对复合材料碰撞损伤的影响，揭示复合材料防撞梁碰撞损伤机理，进而改进碳纤维复合材料防撞梁结构，减小碳纤维复合材料防撞梁的损伤，结果表明，结构改进后的防撞梁损伤程度大幅度降低，碰撞性能得到较大提升。本文的研究内容主要包括以下几方面：　　（1）对比不同复合材料失效准则利弊，选择符合本文研究内容的碳纤维复合材料失效判定准则，确定碳纤维复合材料损伤后的刚度退化模型，编写VUSDFLD显式动力学子程序，将VUSDFLD子程序进行实验验证，确定其可用于后续碳纤维复合材料防撞梁损伤研究。　　（2）根据国内碰撞法规建立碳纤维复合材料防撞梁有限元显式动力学碰撞模型，确立初始防撞梁铺层结构方案，对初始碳纤维复合材料防撞梁进行低速碰撞仿真分析，研究铺层角度对复合材料层内损伤的影响规律和复合材料层间损伤情况，为后续改进碳纤维复合材料防撞梁结构，减小防撞梁碰撞损伤提供方向。　　（3）在初始碳纤维复合材料防撞梁碰撞损伤结果基础上，改变防撞梁复合材料铺层层数与铺层角度，研究不同铺层层数碳纤维复合材料防撞梁损伤程度和碰撞性能，获得铺层层数、铺层角度和防撞梁损伤程度三者间的内在规律，得出碳纤维防撞梁结构改进的方向，进而降低碰撞损伤。　　（4）经过初步结构改进之后，碳纤维复合材料防撞梁的部分复合材料层损伤改善不明显，因此，将损伤严重的复合材料层替换为铝合金材料层，在同等条件下进行碰撞仿真分析，对比碳纤维复合材料防撞梁和嵌入铝合金材料的多材料混合防撞梁损伤结果，分别从防撞梁复合材料层内损伤、层间损伤以及碰撞性能进行分析。结果表明，多材料混合防撞梁损伤程度较碳纤维复合材料防撞梁大幅下降，碰撞性能提升明显，通过嵌入铝合金材料可有效减小碳纤维复合材料防撞梁损伤。
作者：	黄德明
专业：	车辆工程
导师：	朱孙科
授予学位：	硕士
授予学位单位：	重庆交通大学
学位年度：	2022