一种内嵌CFRP的汽车铝合金前纵梁吸能特性研究

提出一种内嵌碳纤维复合材料(CFRP)的汽车铝合金前纵梁结构,研究了内嵌CFRP对铝合金前纵梁吸能特性的影响。通过仿真验证内嵌CFRP可改善铝合金前纵梁吸能特性,并制备前纵梁试样进行轴向冲击试验,分析铝合金前纵梁压溃过程和吸能特性,并研究了斜向冲击下前纵梁吸能特性。结果表明:在轴向冲击下,内嵌CFRP可显著改善汽车铝合金前纵梁的吸能特性,比吸能和碰撞力效率最大分别提高32%和35%,加强CFRP层合板横向支撑和增加CFRP层合板厚度可提高前纵梁的比吸能;在斜向冲击下,提供良好横向支撑的CFRP内嵌方式可有效改善铝合金前纵梁压溃形式,与单一铝合金前纵梁相比,明显提升了斜向冲击的吸能效果。     

CFRP多胞结构吸能机制及多工况耐撞性设计

将轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)应用到多胞结构设计中,有望进一步提升CFRP薄壁结构的耐撞性能及吸能效率。为了研究CFRP多胞结构在多角度加载工况作用下的能量吸收机制及耐撞性能,采用机织平纹CFRP预浸料制备CFRP单胞管以及2个不同规格的CFRP多胞管,并通过调整壁厚使所有结构的质量保持相等;随后,对上述3个试样开展准静态轴向压溃试验,通过试验揭示CFRP多胞管的耐撞性能。此外,建立CFRP多胞管的有限元模型,采用数值仿真的方法揭示多胞管的能量吸收机制,并基于试验验证的有限元模型进一步分析9种不同规格的CFRP多胞结构在多种加载角度下的压溃性能。最后,采用多指标评价方法(COPRAS)对不同构型的多胞管在多种压溃角度下的耐撞性能进行综合评价。试验结果表明:单胞管发生了不稳定的局部屈曲,多胞管发生了稳定的渐进失效,并且在等质量的条件下,多胞管的总吸能比单胞管的总吸能高约68%。仿真结果表明:层内损伤是CFRP多胞管以及单胞管的主要吸能机制,其能量耗散值约占总能量的50%;且随着加载角度的增加,各结构的总吸能逐渐下降,但各吸能机制所耗散能量的占比变化不大,增加胞数以及内壁胞壁的厚度均能小幅度提升多胞管的能量吸收特性。综合耐撞性评价结果表明:试样MT3-4[胞数为9,内部胞壁厚度b为1.178 0 mm(5层),外部胞壁厚度c为0.235 6 mm(1层)]在多种压溃角度下具有更好的综合耐撞性能。     

全承载客车正面碰撞吸能器设计与验证

为开发大型全承载客车碰撞吸能器，通过整车正面碰撞有限元仿真分析，确定了吸能器合理的吸能量和压溃力，以压溃力为目标进行吸能器结构参数设计。采用铝合金和DP600钢试制了吸能器样件，通过静态压溃试验对比不同吸能器的压溃力和变形模式，并通过台车碰撞和整车碰撞试验验证吸能器性能。结果表明，铝合金吸能器的压溃变形模式稳定，材料没有撕裂现象，在正面碰撞、偏置碰撞、斜角碰撞等多种碰撞工况下都能产生良好变形，满足整车碰撞安全性的要求。     

棱边强化薄壁方管轴向压溃吸能特性

采用Hypermesh 9.0和Lsdyna 971数值仿真分析了棱边强化对薄壁方管轴向压溃过程能量吸收机理的影响。基于单个方管折叠单元能量平衡方程,采用分项能量修正法和影响因子归一化建立了棱边强化薄壁方管轴向压溃能量平衡方程。理论推导出棱边强化方管平均压溃力预测公式和吸能增幅表达式,其中,平均压溃力的仿真结果与预测公式计算结果吻合较好。Q235方管压溃试验结果表明,棱边强化方管平均压溃力公式也可用于预测原始方管,且效果更好。吸能对比表明:棱边强化后,棱边与平板的塑性变形在轴向压溃过程中存在强耦合关系,两部分的吸能均有提升。对于截面为56.36mm×56.36mm、厚度为1.0mm的薄壁方管,棱边约强化4倍,4条棱边仅占薄壁方管截面9.09%,理论上可使方管总体吸能量提升近30%,可见棱边强化能显著提升薄壁方管轴向压溃吸能水平。     

基于J-C型材料模型的整车正面碰撞结构优化

根据拉伸试验结果,考虑应变率效应及温度效应,确定了B420LA及HC420/780DP材料的J-C型动态拉伸本构方程,并将这2种材料用于某款新能源汽车的前纵梁结构设计。基于LS-DYNA程序,采用数值仿真的方法,考虑整车正面碰撞工况前纵梁结构的变形模式及压溃吸能效果,对前纵梁结构进行了优化设计。结果表明,优化后的前纵梁压溃变形模式更好、吸能效果更优,左、右侧整车加速度峰值由58.1g与56.2g分别降为38.0g与39.2g,前围板过程最大侵入量由208.7 mm降低为182.2 mm,符合汽车正面碰撞工况研发的需要。     

基于截面力设定的纵梁轻量化半经验设计

采用半经验方法,通过分析同级对标车型的纵梁各断面通过力,获得了纵梁通过力的设计目标;根据本文提出的薄壁管梁压溃力公式,反推出纵梁所采用的尺寸、材料;根据结构轻量化原则,在概念设计阶段确定了纵梁的最优设计参数。通过对碰撞加速度、吸能盒、纵梁的试验与仿真结果对比可知,本文所提设计方法合理有效。     

某轿车前纵梁碰撞性能的仿真优化

汽车前纵梁是汽车发生正面碰撞时的主要吸能部件之一,前纵梁吸能性的好坏,直接影响到整车耐撞性的好坏。文中建立了某轿车的前纵梁有限元模型,用LS-DYNA有限元软件仿真来得到其吸能性能,通过改进纵梁结构,得到比较满意的结果,30ms吸能量达到了13024J;也为以后纵梁的设计进行一些前期的研究。     

薄壁直梁碰撞性能仿真和参数影响分析

为研究材料及其厚度和结构圆角对汽车主要吸能结构前纵梁的碰撞性能的影响,建立了模拟前纵梁的薄壁直梁有限元模型,对其进行了正面碰撞仿真,并分析了材料与结构参数对薄壁直梁碰撞吸能的影响。结果表明,在相同的压溃距离下,直梁吸能与材料强度呈指数小于1的幂指数的增长关系;与厚度呈现指数大于1的幂指数的增长关系;单位质量下壁梁圆角部分的吸能是平面部分的3倍左右。     

基于正交设计的汽车前纵梁吸能结构的优化

为了增强某款SUV车的耐撞性,提出了一种带诱导槽的八边形结构、可逐级吸收碰撞能量的前纵梁,并建立了其准静态纵向压溃和台车碰撞两种有限元模型。在台车模型中考虑了台车质心位置和车轮模型的刚度、高速旋转与摩擦特性的影响;采用正交试验设计法对前纵梁的材料、壁厚和焊点位置进行了优化,并将优化结果用于底盘结构。底盘耐撞性试验结果表明,优化后结构具有较好的吸能能力。     

CFRP十二直角薄壁梁保险杠的轻量化设计

针对某B级轿车保险杠总成轻量化改进设计,基于碰撞能量管理的方法,确定了保险杠吸能目标,采用正向设计的方法进行详细尺寸设计。吸能盒采用外层为碳纤维增强复合材料(CFRP)、内层为低碳钢板的十二直角薄壁梁结构,根据薄壁梁压溃理论,分别确定两层材料厚度理论值。横梁采用单层CFRP材料的十二直角薄壁梁结构,以刚度等效替代方法,确定横梁厚度理论值。以厚度理论值为基础,设计一系列对比方案,最终通过高、低速碰撞验证选出合理方案,在保证吸能要求的前提下,使保险杠总成质量减轻41.5%。     

基于熵权TOPSIS法的CFRP防撞梁轻量化研究

碳纤维增强复合材料(CFRP)具有轻质高强的特点,本文中基于抗撞性要求将某乘用车保险杠原钢制防撞梁替换为CFRP,并进行铺层优化设计。首先对CFRP层合板进行力学性能试验以获得材料参数,并通过三点弯曲仿真试验验证其准确性,然后根据等刚度设计原理,确定CFRP防撞梁的厚度,并通过保险杠低速碰撞有限元仿真对比分析两种材料防撞梁的抗撞性能。在此基础上,以质量、比吸能、最大侵入量和碰撞力峰值为目标,采用熵权TOPSIS方法对CFRP防撞梁进行铺层优化,确定出最优铺层方案。结果表明,在保证抗撞性能要求的条件下,优化后的CFRP防撞梁比原钢制防撞梁减轻了76.82%。     

CFRP筋钢骨混凝土组合梁受弯性能

为研究CFRP(Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic)筋钢骨混凝土组合梁的抗弯性能,试验设计了3片CFRP筋钢骨混凝土组合梁,其中对比参数包括不同弹性模量的受拉主筋和不同CFRP筋配筋率,通过静载试验得到了钢骨混凝土组合梁在应变、挠度、裂缝开展以及抗弯承载能力等方面随着荷载增加...     

粘贴加固材料厚度与钢筋混凝土T梁极限承载力分析

为研究粘贴法加固钢筋混凝土T梁的极限承载力,运用ANsYs有限元程序分别建立了粘贴钢板和粘贴碳纤维两种T梁常用加固方法的模型,分析了不同粘贴厚度下T梁的极限承载力,并对两种加固方法的效果进行了比较。结果表明：T梁的极限承载力不随加固材料粘贴厚度的增厚而线性增大,当加固材料厚度达到某值时,极限承载力便不再提高：当粘贴钢板厚度超过8mm,碳纤维厚度超过0．334mm时,梁的破坏形式由塑性破坏转变为脆性破坏;相对粘贴钢板而言．使用碳纤维加固T梁极限承载力提高较大。     

新型点阵夹层防撞梁与负泊松比吸能盒复合总成开发与吸能性能

为高效解决车身结构抗撞性和轻量化同步实现的难题，以乘用车前防撞梁与吸能盒为例，将点阵夹层结构与负泊松比结构用于其设计，并考察新型复合总成的吸能性能。以传统高强钢方案作为对标基准，获取待开发总成的性能设计依据。基于高强钢总成40%重合率碰撞试验，完成有限元模型的精度验证，进而获得全宽碰撞的结构响应特征及吸能参考数值，用于指导新型总成的开发。通过数值模拟算例，分析新型复合总成对冲击输入能量的适应性及吸能量对负泊松比吸能盒壁厚的敏感性，从而提出增加吸能盒封板与防撞梁支撑的改进方案。改进后的点阵夹层防撞梁具有更佳的承载刚度与载荷传递能力，总成变形模式愈加合理；改进前、改进方案1与改进方案2的总成吸能量分别占输入总能量的11.5%、68.2%与92.76%，高于高强钢方案的64.09%；改进方案2较高强钢方案减重32.9%。复合前防撞总成的台车试验与仿真结果对比显示：输入能量、碰撞初速度、总成吸能量、平均压溃量、平均碰撞力与回弹速度等指标的偏差绝对值均小于5%。结果表明：采用点阵夹层结构与负泊松比结构后，新型复合总成的吸能性能与轻量化水平均优于高强钢方案，2类结构适合于车辆承载与吸能结构，复合总成的设计方法与开发流程适用于相关新型结构的开发。     

武广客运专线140 m下承式钢箱系杆拱桥拖拉施工方案探讨

武广客运专线140 m下承式钢箱系杆拱桥上跨双向4车道京珠高速公路,桥轴线与京珠高速公路斜交,要求在全桥钢箱系梁、纵横梁、钢箱拱和吊杆安装完后再进行拖拉就位。采用ANSYS程序对2种拖拉施工方案施工全过程进行模拟计算,从临时墩设置、临时墩支座反力、导梁、纵横梁以及吊杆受力特点等方面进行分析研究。     

有黏结预应力CFRP筋混凝土梁试验及非线性分析

通过6根梁试件的单调加载静力试验,对有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的受力过程、破坏形态、抗弯承载力、位移延性以及变形特性等进行了较系统的研究,并利用ANSYS软件对试验梁进行了非线性有限元分析。研究结果表明:有黏结预应力CFRP筋混凝土梁受力性能良好,具有较大的位移延性和变形能力;按配筋率的不同,梁试件的破坏模式分为受拉破坏和受压破坏2种;随着配筋率的增大和张拉控制应力的提高,有黏结预应力CFRP筋混凝土梁的位移延性有所降低;和非预应力配筋为钢筋的梁试件相比,非预应力配筋为玻璃纤维塑料(GFRP)筋的梁试件的位移延性和变形能力稍低;典型试件的有限元计算值和试验值吻合良好。     

基于位移控制CFRP板新型锚具锚固性能研究

为探究通过位移控制施加预紧力的CFRP板锚具的锚固性能,明确静载作用下锚具的锚固效率及CFRP板的受力机理,对新型曲面夹持式锚具进行设计,锚具构件由钢制夹板以及限位板组成。夹板通过弧面设计避免端口效应产生的剪切破坏,通过改变限位板厚度,控制夹板挤压位移,以达到调控预紧力的目的。通过8组16次试件锚具静载试验,探究限位板厚度在1.65~2.00 mm,夹板挤压位移在0.30~0.65 mm时CFRP板的锚固效率、应变、变形量、相对滑移以及总位移。结合ANSYS有限元软件,对锚具在不同限位板厚度控制下CFRP板的张拉应力以及锚固效率进行分析,对锚具静载试验进行对比。研究结果表明：锚具静载试验,当夹板挤压位移在0.30~0.45 mm时,破坏形态为滑脱,达到0.5 mm时CFRP板发生纵向劈裂破坏;夹板横向两侧位移0.65 mm时,发生由横向两侧向中部的爆炸式破坏,最大试验锚固效率为89%;夹板挤压位移在0.3~0.65 mm时,CFRP板变形量为1.41~2.95 mm,滑移量在0.7~2.1 mm之间,总位移未超过4 mm,锚固性能越好滑移量越小;有限元模拟最大锚固效率为91%,CFRP板位移对比差值未超过5%。;由于CFRP板回缩及夹板变形带来一定的应力损失,损失大小建议取张拉应力的7.67%;试验同时发现,CFRP板为正交异性板,其横向宽度较大,张拉时受纵向剪应力影响比较大,因此设计时需尽量避免横向出现的挤压应力不均;对CFRP板纵向剪应力进行分析,得到主要影响参数夹板厚度的最优范围在35~40 mm之间。     

钢拱架锈蚀作用下型钢混凝土梁抗弯承载力研究

针对海底隧道中的钢拱架锈蚀使初期支护承载力降低的问题,为从宏观角度体现锈蚀对于钢拱架承载力的影响,采用电加速腐蚀试验得到不同锈蚀率的钢拱架,并将不同锈蚀率的钢拱架混凝土梁进行抗弯承载力试验。 结合数值模拟分析,得到以下结论: 1)锈蚀后的工字钢混凝土梁承载力随锈蚀率增加而减小,锈蚀率每增高1%,承载力平均下降 5.1 kN; 2)锈蚀工字钢混凝土梁加载过程中,当锈蚀率小于或等于1.5%时混凝土梁主要出现横向裂缝,锈蚀率大于1.5%时则主要出现贯通的纵向裂缝; 3)随着锈蚀率的增大,混凝土与工字钢之间的黏结作用减弱,混凝土应力、应变增大,反之工字钢应力、应变减小。     

同时考虑滑移和纵向剪力重分布时组合梁挠度变形的理论分析

以均布荷载作用下的简支组合梁为研究对象,同时考虑滑移效应和纵向剪力重分布的影响,将界面受力全过程划分为3个工作阶段,通过建立截面曲率函数,推导了组合梁挠度变形的计算公式,并将根据本文公式得到的计算结果与按我国钢结构设计规范建议的折减刚度法得到的计算结果进行了比较。研究表明:当荷载超过0.5倍的极限荷载时,按本文方法得到的挠度结果普遍大于根据规范得到的计算值。     

CFRP加固梁力学性能试验研究及有限元分析

加固技术包括增大截面法、粘贴钢板法、体外预应力及粘贴CFRP加固法等,其中CFRP加固技术拥有最为广泛的应用,其在加固领域占有重要地位。CFRP加固研究较多的方面包括：抗弯加固、抗剪加固及抗震加固等,加固主要采用粘贴加固、嵌固及预应力加固等方式。通过3组对比试验研究了加固梁的受力性能、变形性能及破坏过程,试验结果表明CFRP加固梁的承载力大幅提高,变形性能成倍增加。通过有限元数值模拟分析了CFRP加固梁的受力破坏过程,并与试验结果作了对比。