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面向汽车正面碰撞的CFRP薄壁管内部填充梯度泡沫铝结构耐撞性研究
| 论文题名： | 面向汽车正面碰撞的CFRP薄壁管内部填充梯度泡沫铝结构耐撞性研究 |
| 关键词： | 汽车材料;梯度泡沫铝;轴向压溃;吸能特性 |
| 摘要： | 随着汽车工业的快速发展，汽车安全问题愈加严重，且现阶段我国面临严重能源紧缺、环境污染等问题，因此对汽车碰撞安全性及轻量化设计提出了更高的要求。CFRP由于具有超高的比强度和比吸能，在汽车结构件应用中具有较大潜力；泡沫铝作为一种轻质泡沫金属，具有良好的吸能特性且价格低廉，是理想的吸能结构填充材料。因此，研究CFRP薄壁管内部填充梯度泡沫铝结构耐撞性对提升汽车安全及轻量化设计具有十分重要的意义，本文通过数值模拟及实验对此吸能结构耐撞性进行研究。 首先，基于复合材料力学及复合材料失效模式，确定了用于CFRP薄壁方管的材料失效准则、刚度退化模型以及用于泡沫铝的CrushableFoam材料模型，建立了CFRP薄壁管内部填充梯度泡沫铝结构轴向压溃渐进损伤模型，并进行了轴向准静态压缩实验，探究铺层角度、铺层比例、铺层顺序、方管壁厚、泡沫铝密度及梯度对吸能结构吸能特性的影响规律。研究结果表明：（1）铺层角度越大、周向铺层比例增加、周向/轴向/周向的纤维铺层顺序能够提升吸能结构的比吸能，但初始载荷峰值会增大；（2）填充泡沫铝能够显著提升吸能结构吸能能力，正梯度泡沫铝填充对吸能结构吸能能力的提升要优于负梯度和单一密度泡沫铝。 最后对吸能结构进行了多目标优化设计，利用DOE设计实验建立样本点，通过Abaqus仿真及试验得到不同模型的数据样本点，基于响应面函数法构建了以比吸能SEA最大和初始峰值碰撞力PCF最小为评价指标的双高精度代理模型。并采NSGA-II多目标遗传算法对设计参数优化求解分析，获得了Pareto前沿最优解，并利用Design-expert中多目标优化工具箱再次优化验证结果。得到的多目标优化问题的最优解为ρ=0.5g/cm3，铺层方式为[±87°/±16°/±15°/±89°]，SEA最优理想值为18.2J/g，PCF最优值为18230N，且两种优化方法对应SEA和PCF误差分别为2.109%和4.1828%，满足设计要求。本文对CFRP薄壁管内部填充梯度泡沫铝结构的耐撞性研究为其工程化应用提供理论数据支撑。 |
| 作者： | 文小东 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 肖勇 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 重庆交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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