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CFRP薄管耐撞性参数研究及铺层角度优化设计
| 论文题名： | CFRP薄管耐撞性参数研究及铺层角度优化设计 |
| 关键词： | 汽车碰撞事故;复合材料管;耐撞性参数;有限元法;遗传算法;铺层结构 |
| 摘要： | 在汽车碰撞事故中，由正面碰撞所造成的受伤率和死亡率一直很高。碳纤维复合材料具有良好的碰撞安全性能，适用于车身吸能结构。合理设计复合材料的铺层结构，不仅能提高汽车碰撞性能、保护乘员生命安全，同时也将会对汽车轻量化做出较大贡献，具有重大的意义。 本文充分吸收国内外对复合材料结构在冲击载荷下的响应和损伤破坏机制的研究成果，使用LS-DYNA建立了碳纤维复合材料管碰撞有限元模型，并利用遗传算法优化铺层角度提高其耐撞性，同时研究了轴径比和锥角对耐撞性的影响。 首先，本文制作了碳纤维复合材料拉伸、压缩和三点弯曲试验的试样，并按照国标进行了拉伸、压缩和三点弯试验，得到了材料的拉伸压缩强度、杨氏模量和断裂应变等参数。建立拉伸、压缩和三点弯曲试验有限元模型并进行了仿真验证，通过对比试验载荷位移曲线进行验证。试验结果表明：碳纤维复合材料在失效前主要为弹性变形，没有明显的塑性变形，类似脆性材料。复合材料压缩时的强度、断裂失效应变和杨氏模量都低于拉伸时的相应值，其中杨氏模量差别很小。使用基于完全Chang-Chang失效准则的MAT54号材料模拟复合材料具有较好的计算效率和精度，模型准确的预测了三点弯试验的失效机理是上表面的压缩破坏失效，但是因采用单层壳单元建模，未能再现分层破坏现象。 其次，建立验证了轴向冲击下复合材料圆管有限元模型，分析了种群规模、选择算子、交叉算子、交叉概率、变异概率等控制参数对铺层角度优化问题收敛性以及寻优能力的影响，得到最合适的遗传算法控制参数值为选择算子采用联赛竞争选择，交叉算子为混合交叉算子，种群规模为20，变异概率为0.125，交叉概率为1.0。优化后的复合材料圆管最佳的铺层角度是[0/-45/90/45]S2。 最后，分析了轴径比和锥角对复合材料管在轴向冲击下的最大碰撞力和吸能量的影响。结果表明最大碰撞力和轴径比之间存在线性的关系，吸能量和轴径比曲线类似“W”形状，轴径比K=1.6时吸能量和最大碰撞力能得到很好的均衡；锥角对碰撞吸能量几乎没有影响，对最大碰撞力的影响很大，当锥角大于12°以后最大碰撞力几乎不变。分析表明，最佳的轴径比和锥角分别是1.6和12°。 本文的研究得到了一些有意义的结论，对碳纤维复合材料在汽车纵梁中的应用有一定的借鉴意义。 |
| 作者： | 刘洪斌 |
| 专业： | 机械工程 |
| 导师： | 肖志 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 湖南大学 |
| 学位年度： | 2014 |
| 正文语种： | 中文 |
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