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原文传递 FRP/金属混合薄壁结构大变形塑性铰力学模型及其吸能理论研究
论文题名: FRP/金属混合薄壁结构大变形塑性铰力学模型及其吸能理论研究
关键词: 汽车轻量化;混合薄壁结构;多材料车身;FRP/金属薄壁结构;能量吸收;理论解析模型
摘要: 随着节能减排和降低环境污染的要求不断提高,车身轻量化成为汽车设计的重点领域之一。采用高比强度、比刚度、质量轻的纤维增强复合材料(Fiber-reinforcedplastic,FRP)等先进的轻质材料是实现车身轻量化的有效手段。FRP/金属混合薄壁结构将金属和FRP两种材料按照一定的比例和结构形式相结合,通过合理的结构和材料设计,能够在碰撞过程中形成稳定、可控的变形模式,从而提高结构的能量吸收能力。FRP/金属混合薄壁结构兼顾了金属材料成本低、变形稳定、韧性强和FRP质量轻、比强度和比刚度高、可设计性强等特点,成为先进多材料车身的重要发展方向。
  目前利用试验测试和动态仿真方法对FRP/金属混合薄壁结构力学性能展开了部分研究和探索,使用试验测试或有限元仿真方法设计混合薄壁结构成本高,参数设计时需要反复试错,导致设计周期长。理论解析方法通过分析结构变形和吸能机制,定量表达结构响应与几何、材料、加载等参数之间的解析关系,实现薄壁结构动态响应的快速预测,找出结构的改进方向并指导设计。因此,在试验测试和动态仿真的基础上,深入分析和总结FRP/金属混合薄壁结构的变形机制和吸能规律,并建立吸能理论解析模型是十分有意义且必要的。
  本文依托国家自然科学基金项目面上项目(51775228,5187523),开展FRP/金属混合薄壁结构大变形塑性铰力学模型及其吸能理论研究,内容包括提取FRP/金属混合塑性铰结构并提出塑性铰力学理论分析方法;分析偏中心集中载荷作用下FRP/金属层合板的变形过程并建立动态响应理论解析模型;考虑混合塑性铰的空间和方向分布,基于混合塑性铰力学模型推导FRP/金属混合方管的吸能解析表达式;以建立的吸能解析表达式为理论基础,提出变厚度FRP/金属混合方管结构并分析轴向压溃吸能特性;通过吸能理论实现汽车座椅背板与前端薄壁结构的快速正向设计。
  首先,分析大变形过程中FRP/金属混合薄壁结构基本特点和共同特征,提取FRP/金属混合塑性铰(以下简称为混合塑性铰)作为FRP/金属混合薄壁结构的基本吸能单元,分析混合塑性铰的结构形式与应力分布之间的关系,研究混合塑性铰力学模型的建立方法,获得弯矩、膜力以及屈服准则的数学表达式,分析厚度、应力等因素对屈服曲线的变化规律,总结FRP/金属混合塑性铰力学建模方法。
  其次,以FRP/金属层合板为车身覆盖件的典型代表,考虑到层合板承受载荷位置具有不确定性的特点,在混合塑性铰力学模型的建立方法上,针对任意铺层数量的混合塑性铰建立屈服曲线并提出简化方法,分析FRP/金属层合板在不同位置(偏中心)冲击载荷作用下的运动场分布,基于能量守恒方程建立控制方程并求解,获得最大横向位移和冲击载荷的理论表达式。FRP/金属层合板的理论分析结果表明,采用内接正方形屈服曲线的理论解析解与有限元模拟结果吻合较好。
  接着,以FRP/金属混合方管组成的FRP/金属薄壁梁为车身结构承载件的典型代表,基于混合塑性铰力学模型的建立方法,研究FRP/金属混合方管在轴向载荷作用下的变形和吸能过程。分析FRP/金属混合方管轴向压溃变形过程中折叠单元的混合塑性铰空间分布,推导FRP/金属混合方管平均压溃力和材料、几何参数之间的数学表达式。建立了FRP/金属混合方管的轴向压溃吸能理论模型,并通过CFRP/Al混合方管和GFRP/Al混合方管验证了理论模型的准确性。
  随后,以建立的FRP/金属混合方管的轴向压溃吸能解析模型为理论基础,提出了变厚度FRP/金属混合方管以提高薄壁梁的轴向压溃性能,结合试验和仿真方法证明了结构的性能优势,分析变厚度FRP/金属混合方管的比吸能、压溃效率等性能指标,结果表明变厚度FRP/金属混合方管有效提高了轴向压溃特性。
  最后,以座椅骨架和前端薄壁梁结构的概念设计为例,介绍将FRP/金属混合薄壁结构及其吸能理论应用于车身当中,并实现结构参数快速设计的方法。
  本文的研究内容,有利于深入理解FRP/金属混合薄壁结构的变形机理和内在吸能规律,建立的吸能理论解析模型为FRP/金属混合薄壁结构的改进设计提供了方向,并在概念设计阶段,基于理论解析模型实现了FRP/金属混合薄壁结构参数的快速设计。
作者: 陆炳全
专业: 机械工程(车身工程)
导师: 沈传亮
授予学位: 博士
授予学位单位: 吉林大学
学位年度: 2023
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