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泡沫铝填充CFRP圆管轴向压溃吸能特性研究
| 论文题名： | 泡沫铝填充CFRP圆管轴向压溃吸能特性研究 |
| 关键词： | 汽车防撞吸能元件;碳纤维复合材料薄壁管;泡沫铝填充;压溃变形;承压特性;吸能特性 |
| 摘要： | 薄壁管常见于汽车防撞吸能元件中，通过自体结构破坏吸收能量。相比金属管件，碳纤维复合材料（Carbon Fiber Reinforced Polymer，CFRP）薄壁管具有轻质高强、耐腐抗震等诸多优势。闭孔泡沫铝材料具有优异的缓冲吸能表现，是理想的管件填充材料。泡沫铝填充CFRP薄壁圆管整体耐撞性好、吸能缓冲能力强，在汽车行业具有广阔的应用前景。 目前针对泡沫铝填充CFRP圆管轴向压溃行为的研究仅局限于宏观尺度，对于压溃过程中两材料结构之间的交互作用机制尚无统一定论。另外，泡沫铝填充CFRP薄壁圆管压溃吸能能力优于两材料单独使用吸能之和，但整体吸能机理尚不明确。同时，针对填充管中的重要结构参数缺乏影响研究，没有明确的理论模型指导此类CFRP填充结构的工程应用，无法进行相应的结构优化设计。研究泡沫铝填充CFRP薄壁圆管结构在压缩工况下的变形模式，探究CFRP与泡沫铝结构之间的交互作用和吸能机理，建立整体结构吸能理论模型，是泡沫铝填充CFRP结构设计急需解决的问题。 针对以上问题，本文从试验、仿真及理论分析三个方面探究了泡沫铝填充CFRP圆管轴向压溃变形机制及吸能特性。建立了泡沫铝填充CFRP圆管结构细观有限元模型；分析了重要结构参数对填充管变形、承压、吸能特性的影响；建立起单CFRP圆管、单泡沫铝及泡沫铝填充CFRP圆管的轴向压溃力理论模型。 首先，本文分别进行单CFRP圆管，泡沫铝圆柱及泡沫铝填充CFRP圆管的轴向压溃试验及仿真。进行不同密度泡沫铝填充CFRP圆管轴向压溃试验，研究泡沫铝密度对填充管吸能的影响；建立特定孔隙率及胞孔孔径（壁厚）参数的泡沫铝3D Voronoi细观实体有限元模型；建立细观泡沫铝填充CFRP薄壁圆管轴向压溃有限元模型，研究填充管中两材料的变形失效机制，分析填充管吸能优越性的来源。 其次，研究泡沫铝密度，泡沫铝胞孔孔径、CFRP圆管壁厚、填充管整体直径等结构参数对填充管变形、承压及吸能特性的影响。分析CFRP管与泡沫铝填料变形模式随各参数变化规律，以及典型填充管轴向压溃载荷-位移曲线各阶段走势及随参数变化规律，为建立填充管轴向压溃力理论模型奠定基础。计算压溃过程中各材料吸能占比进一步分析填充管整体吸能机理。 最后，详细分析CFRP薄壁圆管轴压渐进破碎段的能量耗散机制，根据壁面破碎区变形简化模型建立能量平衡公式，获得CFRP圆管轴向压溃力理论模型，并验证模型有效性；添加泡沫铝孔径相关项，修正其刚塑性硬化本构模型（R-PH模型），拟合模型中未知参数并验证模型有效性；建立两段式泡沫铝填充CFRP圆管轴向压溃力理论模型，拟合模型中未知参数并验证模型有效性。 |
| 作者： | 张迪彤 |
| 专业： | 机械工程(车身工程) |
| 导师： | 庄蔚敏 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 吉林大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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