碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃仿真研究

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1、分类号Ｕ４６５．６单位代码：１０１８３：研究生学号：２０１５４２２０８５密级：公开吉林大学硕士学位论文学术学位（）碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃仿真研究ＮｕｍｅｒｉｃａｌＳｔｕｄｙｏｎＣＦＲＰＴｕｂｅｕｎｄｅｒＡｘｉａｌＣｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎ作者姓名：刘西洋专业：机械工程（车身工程）研究方向：车身轻量化技术指导教师：庄蔚敏教授培养单位：汽车工程学院２０１８年６月未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内

2、容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明：本人郑重声明所呈交学位论文，是本人在指导教师的指导下。除文中己经注明引用的内，独立进行研究工作所取得的成果容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：＞？＾１＋日期：年６月亨日ｉｉ——————

3、———————————————碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃仿真研究—————————————————————NumericalStudyonCFRPTubeunderAxialCompression作者姓名：刘西洋专业名称：机械工程（车身工程）指导教师：庄蔚敏教授学位类别：工学硕士答辩日期：2018年5月30日摘要碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃仿真研究碳纤维增强复合材料具有密度小、比强度高、比模量高等优异的材料性能，作为良好的轻量化材料，在航空航天、军工领域已有广泛应用，在汽车领域复合材料的应用也引起越来越多的关注。碳纤维复合材料不但质量轻，

4、而且具有良好的吸能特性，适用于车身中的吸能构件。碳纤维增强复合材料由增强体和基体共同组成，在冲击载荷作用下吸能机制比较复杂，失效模式表现为：纤维断裂、基体破碎、层间分层等，本文应用LS-DYNA有限元分析软件对碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃吸能特性进行研究。本文首先确定碳纤维增强复合材料圆管试件尺寸、选择试验系统，进行轴向压溃试验。由于单向纤维布和编织纤维布铺层的碳纤维增强复合材料结构件吸能特性存在较大差异，本文分别选用单向带铺层圆管和编织布铺层圆管进行试验研究。对比分析两种圆管压溃破坏现象和位移-载荷曲线，确定几何尺寸相近情况下，单向带铺层圆

5、管有较好的吸能特性，并将单向带铺层圆管轴向压溃试验结果作为之后数值模拟研究的评价标准。应用LS-DYNA有限元分析软件进行碳纤维增强复合材料圆管轴向压溃的数值模拟研究，建立与试验研究一致的单层壳单元圆管轴向压溃模型，应用MAT54材料模型定义碳纤维增强复合材料。将数值模拟结果与试验结果进行对比，确定数值模拟方法的有效性和准确性。单层壳单元圆管轴向压溃模型能有效反应圆管轴向压溃过程中位移-载荷曲线结果，但不能宏观表现出层间分层这一失效模式。建立多层壳单元圆管轴向压溃仿真模型，应用tiebreak接触定义层间分层失效，并探究单元划分和圆管壳单元层数

6、对仿真结果影响。结果表明多层壳单元圆管轴向压溃模型位移-载荷曲线与试验结果较为一致，且能直观地观察到圆管层间分层失效模式。薄弱环节设置是复合材料结构件吸能特性的重要影响因素，可确保轴向压溃过程中，复合材料结构件在该端发生稳定的渐进性破坏。本文研究端部带缺口的局部薄弱环节设置对圆管结构件压溃吸能特性的影响，设计缺口形状分别为矩形、半圆形、梯形，确定缺口形状对结构件吸能特性影响较小。在缺口形状为矩形的情况下，设置缺口截面尺寸分别为圆管截面尺寸的0.3、0.4、0.5、0.6、0.7倍，I确定当缺口横截面尺寸与圆管横截面尺寸比值为0.6时，圆管结构件

7、吸能特性最好。关键词：碳纤维，圆管，轴向压溃，数值模拟，薄弱环节IIAbstractNumericalStudyonCFRPTubeunderAxialCompressionCarbonfiberreinforcedplastic(CFRP)withlowdensity,highspecificstrength,highmodulusandotherexcellentmaterialproperties,isgoodaslightweightmaterials.CFRPhasbeenwidelyusedintheareasofaerospace

8、andmilitary,andautomotivefieldpaysmoreandmoreattentiontotheapplicationofCFR