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碳纤维-铝合金复合层板力学性能及本构模型研究
| 论文题名： | 碳纤维-铝合金复合层板力学性能及本构模型研究 |
| 关键词： | 纤维金属层板;碳纤维;汽车材料;本构模型;成形极限;力学性能 |
| 摘要： | 轻量化是汽车与交通运载装备领域高度重视的研究方向。铝合金和碳纤维复合材料凭借其高强度、轻质量及可设计性高等特点，可以满足轻量化的迫切需求。纤维金属层板是兼具复合材料和金属优点的超混杂材料，正逐步应用于汽车与交通运载装备轻量化领域。然而，纤维金属层板在复杂工况下的力学性能与应力响应十分复杂、亟需明确。因此，本文以碳纤维铝合金复合层板为研究对象，研究层板在单向、双向、三向应力状态下的变形行为，分析单向拉伸力学性能及其变化规律，建立弯曲变形行为本构模型并进行试验验证，开展层板成形极限研究，为碳纤维铝合金复合层板的应用提供理论支持。 进行碳纤维铝合金复合层板的制备。选取5系铝合金和环氧树脂增强碳纤维作为层板的组分材料，通过差热分析确定预浸料的合理固化温度，建立了以阳极氧化作为铝合金前处理工艺的层板制备工艺流程。 为了获得碳纤维铝合金层板单向应力状态强度变化规律，开展了组分材料铝合金、碳纤维以及不同铺层方式下层板的拉伸试验研究，分析了层板抗拉强度随铺层方式变化的机理。层板的抗拉强度介于铝合金与碳纤维之间，且工字试样标准下的测试结果更具稳定性；铺层数的增加提高了层板中碳纤维的含量，但同时也增加了碳/铝的弱结合面，层板在3/2铺层时达到最高抗拉强度316.5MPa。 为了获得碳纤维铝合金层板双向应力状态变形行为变化规律，基于金属塑性弯曲理论和修正的经典层板理论，建立了碳纤维铝合金层板弯曲变形本构模型。解析预测层板弯曲强度变化规律，并通过试验验证了理论的准确性。在不同铺层方式下，3/2铺层的碳纤维铝合金层板具有更好的弯曲性能；本构模型强度预测误差为8.4%。进一步分析了层板组分和弯曲半径等结构参数对弯曲强度的影响规律，层板中碳层厚度的增加或铝层厚度的减小，均会提高层板的弯曲强度；层板的弯曲应力与弯曲半径大小成反比。 为了研究层板在三向应力状态下的成形响应，开展了碳纤维铝合金层板杯突成形试验研究，分析了不同铺层方式下层板的成形应变变化规律。结果表明层板在3/2铺层下的载荷厚度比和破裂位移最大；4/3层板在纤维断裂的同时伴随有明显的分层失效，导致其成形性能偏低；不同铺层层板杯突破裂应变中，3/2层板应变和厚度减薄率最大，成形性能最优。 本研究为碳纤维铝合金层板在交通运载装备上的实际应用和工况响应行为研究提供理论支持，对于轻量化发展具有重要意义。 |
| 作者： | 林毅 |
| 专业： | 车辆工程 |
| 导师： | 陈一哲 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 武汉理工大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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