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Al/CFRP混合材料帽形薄壁结构力学特性研究及优化
| 论文题名： | Al/CFRP混合材料帽形薄壁结构力学特性研究及优化 |
| 关键词： | 金属;碳纤维;混合材料;弯曲性能;力学特性 |
| 摘要： | 采用轻质材料和结构在实现车身轻量化、节能减排、提升车身承载能力等方面具有重要意义。性能优越的轻质结构不仅要满足较高比强度和比刚度和要求，还需要兼顾材料成本和比能量吸收等要求。本文基于性能优越的碳纤维增强复合材料（CFRP）与低成本、高延展性的铝合金相结合的概念，采用热压成型工艺通过合理的工艺参数制备性能均匀和混合材料结构，采用实验和数值模拟结合的手段分析了Al/CFRP混合材料层合板和Al/CFRP混合材料帽形薄壁结构的力学性能，根据经典层合板理论和梁理论推导了混合材料帽型薄壁结构的等效弯曲刚度和等效剪切刚度，并进一步针对帽形薄壁结构进行了基于遗传算法的多目标优化设计。本文主要内容如下： （1）针对不同堆叠结构和铺层方式的Al/CFRP混合材料层合板弯曲性能进行了研究，分析混合材料层合板的堆叠结构和纤维取向对其弯曲性能的影响，随着金属体积分数的增加，层合板的弯曲强度和模量降低。结合微观观察分析了3/2结构（3层铝合金，2层CFRP）的损伤情况和失效模式。层合板的弯曲破坏主要存在于0°层的纤维断裂和90°层的基体开裂，进而导致铝层和CFRP层之间的脱粘。采用数值模拟的方法评估了不同纤维取向的3/2结构层合板各层内的应力应变分布规律，0℃FRP层在层合板的弯曲性能中起到主要作用。基于Umat的Linde模型对层合板的失效模式可以准确预测。 （2）通过热压成型工艺制备Al/CFRP混合材料帽形薄壁结构，制备了CFRP帽形结构和具备两种堆叠结构、三种铺层方式和三种碳纤维层数的混合材料帽形结构，通过三点弯曲实验对比了堆叠结构、铺层角度和碳纤维层数对弯曲性能的影响。ACA-CR在弯矩占主导的长梁弯曲中，表现出了较优越的弯曲性能，具有较强的吸能特性。混合材料帽型梁的三点弯曲变形和失效模式符合塑性铰理论，SEM观察表明帽型梁的热压成型具有良好的成型质量，无明显缺陷，且具有复杂的失效模式，提高了能量吸收能力。最后采用基于UMAT的Linde模型预测了混合材料帽型梁的弯曲变形和破坏形式。 （3）基于经典层合板理论（CLT）和梁理论推导出Al/CFRP混合材料帽形薄壁结构截面等效弯曲刚度和等效剪切刚度，建立了三点弯曲工况下的弯曲刚度解析模型，通过与实验结果对比，验证了考虑了剪切变形的解析模型具有较好的预测精度。探究了帽型梁几何参数对两个等效刚度的影响规律。基于弯曲刚度解析模型，在MATLAB中通过遗传算法以弯曲刚度、材料成本和质量为目标函数对混合材料帽型梁进行了多目标优化设计，解决了人为设计难以实现的三者兼顾的设计问题。 |
| 作者： | 扈长智 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 侯文彬 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 大连理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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