详情

原文传递车用玄武岩-碳纤维混杂复合材料结构优化与性能研究

论文题名：	车用玄武岩-碳纤维混杂复合材料结构优化与性能研究
关键词：	车用玄武岩-碳纤维混杂复合材料;结构优化;多目标优化
摘要：	汽车的轻量化可以减少排放、降低油耗，在环境污染和能源紧缺逐渐加重的今天变得越来越重要。碳纤维作为典型的轻量化材料已经在汽车行业中得到了大量应用，但是其成本高、韧性差。玄武岩纤维作为一种天然纤维，相比碳纤维韧性强且价格低廉。将两种纤维与同一种基体进行结合可以得到玄武岩-碳纤维混杂复合材料，通过纤维混杂可以改善单种纤维的缺点，降低成本，应用前景更广。　　本文针对玄武岩-碳纤维层间混杂复合材料进行研究，通过建立损伤有限元模型对玄武岩-碳纤维混杂复合材料的低速冲击性能进行分析，并结合车身零件受到冲击载荷时的性能要求，对混杂纤维复合材料的低速冲击性能进行优化。将优化后的结构应用到汽车前防撞梁上，分析其碰撞性能，具体研究内容如下：　　制备玄武岩和碳纤维复合材料层合板，并对两种复合材料的基本力学性能进行测试，为后续混杂纤维复合材料损伤有限元模型的建立提供参数。　　编写了基于材料断裂韧性的三维复合材料渐进损伤子程序，对层间混杂纤维复合材料的面内损伤进行模拟，采用内聚力单元对层间损伤进行模拟。建立三点弯曲和低速冲击工况下的混杂纤维复合材料损伤有限元模型，并分别通过理论预测和试验的方法对损伤模型的准确性进行验证。　　利用低速冲击损伤有限元模型对混杂纤维复合材料层合板的低速冲击性能进行分析，通过改变铺层结构和铺层角度，研究其对冲击响应的影响。结果显示，混杂纤维复合材料层合板中玄武岩层数占25%时，将玄武岩置于外侧可以提高混杂纤维复合材料的抗冲击性能，产生比单一复合材料更高的峰值力。而随着玄武岩层数的增多，抗冲击性能的增强效应消失。当混杂纤维复合材料层合板中的碳纤维全部位于外侧时，吸能量比单种纤维复合材料更多。冲击位移随着玄武岩层数的增多逐渐增大，且外侧为碳纤维冲击位移更小。铺层角度的改变对混杂纤维复合材料的冲击性能也有影响，±45°铺层的加入使混杂纤维复合材料的抗冲击性增强，峰值力提高，吸能量和位移减小，且±45°铺层位于外侧时这种效应更为明显。90°铺层位于外侧时峰值力下降。　　由于复合材料在汽车上主要用于车身部位，而车身零件在受到冲击载荷时要求位移和冲击力要尽量小。将位移和冲击力最小作为目标，将混杂纤维复合材料层合板每层的铺层材料和铺层角度作为设计变量，采用实数编码的NSGA2算法对混杂纤维复合材料层合板的结构进行优化。为了提高算法的计算效率，将粒子群算法的粒子更新公式引入到NSGA2算法中。最终运用灰色关联度分析的方法对优化解进行选择，得到最优的混杂纤维层合板结构。　　最后基于冲击性能最优的铺层结构对玄武岩-碳纤维混杂复合材料前防撞梁总成进行建模，并在低速和高速碰撞工况下与钢制前防撞梁总成进行对比，结果显示，混杂纤维复合材料防撞梁的碰撞性能能够满足要求，并且质量相比钢制防撞梁下降了38.5%，实现了轻量化效果。
作者：	崔晓凡
专业：	车辆工程
导师：	陈静
授予学位：	硕士
授予学位单位：	吉林大学
学位年度：	2023