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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