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原文传递圆台状汽车用复合材料管件的能量吸收有限元模拟预测和实验验证及其能量吸收机理研究

论文题名：	圆台状汽车用复合材料管件的能量吸收有限元模拟预测和实验验证及其能量吸收机理研究
关键词：	复合材料;有限元分析;能量吸收;管件制作;纤维增强
摘要：	随着经济水平和汽车生产技术的日益提高，汽车逐渐成为人们出行的代步工具，许多随之而来的问题也引起了汽车生产商和汽车消费者广泛的关注，主要集中在汽车尾气排放带来的环境问题以及汽车行驶的安全问题两个方面。　　汽车数量的剧增使得交通拥挤程度上升，汽车事故的发生率也在上升。为了降低汽车事故的发生，一方面靠相关部门不断完善交通法规来规范驾驶，一方面靠汽车制造商在汽车安全保护上做好足够的安全保护设施。目前常用的汽车安全设施有汽车安全气囊，ABS防抱死系统，汽车防撞梁，汽车能量吸收盒等。除了交通拥挤的问题，汽车尾气的排放带来的环境问题也备受人们的关注，因而降低汽车尾气排放量提高能源的利用率已经迫在眉睫。面临这样的问题，许多研究者开始对上述问题展开研究，考虑使用其它的材料代替传统的金属材料，该材料能够在降低车身重量提高燃油的利用率的同时也能够提高汽车的安全性能，纤维增强复合材料就成为了研究者的关注对象。　　与传统的金属材料相比，纤维增强复合材料具有质量轻，机械性能高的特点。纤维增强复合材料在汽车能量吸收管件上的使用不仅能够提高汽车的防撞性能，也能降低车身的重量提高燃油的利用率减少尾气排放带来的环境问题。　　本研究来源于ESI-group（法国伊塞集团）的USCAR（美国汽车联合会）的项目。拟采用碳纤维增强复合材料制作汽车用能量吸收管件来代替传统的金属制能量吸收盒。该管件的形状设计为圆台状，直径小的一端为前段，大小按照常规的金属能量吸收盒的大小来设计。管件物成型制作采用真空辅助成型的方法，以碳纤维预浸料为原料进行半圆台状管件的制作，通过手工铺设配合真空辅助提供压力在特定的环境温度下完成半个管件物的成型，最后将两个半圆台状的管件通过连接加工制作完整的管件。这样的制作方法不仅能够提高工作效率，也可以降低生产成本，为工业生产中采用压模成型提供了可能。　　随着计算机辅助分析技术的成熟，有限元分析被越来越多地使用到科研领域。本研究在管件结构设计，管件的结合之前都分别运用相关的模型对设计好的结构进行有限元模拟预测。为管件设计了五种纤维排向结构分别为A1、A2、A3、A4、A5，根据PAM-CRASH有限元分析的结果，A3结构能量吸收效果较好且冲击过程中稳定破坏，因而将A3结构作为最终进行管件制作的结构。制作完成的管件需要进行胶接，胶接完成的管件也进行了ADHESIVE COS3D材料模型的分析，分析显示胶水失效，粘结强度不足。为了验证这一模型，对胶接的管件进行了测试，结果测试结果和预测结果一致，胶水在冲击过程中提前破坏，管件没有得到破坏，能量吸收比较低。为解决连接强度不足这一问题，计划在胶结的基础上进行螺栓连接。在该操作进行之前也进行了有限元模拟，预测结果显示，添加螺栓连接的管件能够承受冲击强度，胶水不会过早失效。根据预测方案的结果进行了螺栓连接和冲击测试，实验结果和预测结果比较接近，冲击距离达到110mm时，能够吸收落锤设计的总能量的90％以上，达到11kJ。在管件能量吸收机理研究中发现，胶接管件的破坏主要来源于胶水的破坏，因而其能量吸收效果较差；混合连接的管件物中碳纤维和树脂结构得到足够的破坏，因而其能量吸收较高。
作者：	张前锦
专业：	纺织工程
导师：	阳玉球
授予学位：	硕士
授予学位单位：	东华大学
学位年度：	2015
正文语种：	中文