碳纤维复合材料导流罩轻量化设计技术研究

为满足商用车轻量化发展需求，从材料轻量化角度出发，将某款商用车驾驶室的玻璃钢顶导流罩替换为碳纤维环氧树脂基复合材料（CFRP）顶导流罩，实现了降重30%的目标，同时性能指标达成，甚至优于原玻璃钢顶导流罩；基于3D-Hashin复合材料失效准则和Cohesive分层失效准则，建立了CFRP基本力学性能仿真模型，并通过与试验结果进行对比，验证了模型的有效性与材料参数准确性；通过优化碳纤维复合材料层合板的铺层角度设计，建立顶导流罩有限元模型，将两种材料的约束模态和刚度进行对比分析，结果表明：与原玻璃钢顶导流罩相比，碳纤维复合材料（CFRP）顶导流罩在显著降重的基础上，约束模态和平均刚度均有所提升，且满足强度性能指标。     

GFRP/铝合金和铝合金/铝合金粘接接头失效对比研究

为揭示玻璃纤维增强复合材料(GFRP)/铝合金和铝合金/铝合金粘接接头在不同温度和受力形式下的失效规律,加工了处于拉应力、剪应力和拉剪组合应力状态的粘接接头,分别在-40℃(低温)、25℃(常温)和80℃(高温)下进行了测试,结合胶粘剂的玻璃化转变温度(T_g),分析温度和应力状态对接头的失效强度、失效模式和失效准则的影响。结果表明:温度对GFRP/铝合金接头失效强度的影响与应力状态有关,但影响程度低于铝合金/铝合金接头;铝合金/铝合金接头大都是胶层内聚失效,但是GFRP/铝合金接头随着温度的降低和拉应力比例的升高,更容易发生纤维撕裂或分层失效,因而降低失效准则的拟合优度。因此在复合材料粘接结构设计中应尽量降低拉应力的比例,以减小纤维撕裂的倾向,同时在失效预测时须考虑纤维撕裂的影响。     

车身碳纤维接头结构横向弯曲性能研究

通过试验获取车身单帽型碳纤维增强复合材料T型接头的横向弯曲关键性能,分析结构失效模式对试验结果的影响;对试验过程进行有限元模拟,并与试验结果对比;在调整结构尺寸参数和铺层数目时,计算结构横向弯曲性能与质量的相对灵敏度。试验结果表明,层合板渐进损伤引起T型接头横向弯曲刚度衰减,T型接头下表面大面积失效导致结构最终失去承载能力;有限元分析结果与试验结果基本吻合;灵敏度分析结果显示,合理增大尺寸参数R和H,可以较小的质量增大代价获得明显的结构性能提升。     

铝合金焊接结构塑性变形及断裂失效预测方法

铝合金焊接接头力学性能不均匀加大了焊接结构变形及开裂失效预测的难度。通过特殊样件拉伸试验,结合有限元反求方法获得了铝合金焊接接头焊缝、热影响区局部材料参数,建立从细观损伤力学角度预测铝合金焊接结构变形开裂的GTN(Gurson-Tvergaard-Needlemen)损伤模型。将焊接接头按照材料性能差异进行分区,构建精细有限元模型,采用Ls-dyna软件结合GTN损伤模型对铝合金拼焊薄壁梁结构轴向压溃变形及开裂失效进行了预测,预测结果与试验吻合很好,验证了该方法的有效性。     

拉挤GFRP型材层合板螺栓连接试验

为探明桥梁用拉挤型玻璃纤维增强复合材料(GFRP)层合板螺栓连接破坏模式与承载性能,以螺栓直径与板件厚度比(1.0,1.2,1.4)、搭接板件组成(GFRP-GFRP,GFRP-钢板)及荷载作用方向(纵向:平行于拉挤方向;横向:垂直于拉挤方向)为变化参数,进行了共计36个单搭接单螺栓连接拉伸试验。根据连接荷载-位移曲线、应变及破坏模式的测试结果,比较分析了各变化参数对拉挤GFRP层合板螺栓连接力学性能的影响。研究结果表明:对于连接破坏模式,纵向连接中,除GFRP-GFRP连接直径14mm试件组为销承压破坏,其余GFRP-GFRP,GFRP-钢板连接均为螺栓破坏;横向连接中,GFRP-GFRP连接为净截面拉伸-弯曲破坏,GFRP-钢板连接为净截面拉伸破坏;随着螺栓直径与板件厚度比增加,连接强度及刚度提高;GFRP-钢板连接相比GFRP-GFRP连接能更好地减小单搭接螺栓连接的二次弯曲效应,提高连接刚度;对于以0°方向纤维为主的拉挤GFRP层合板,纵向连接的强度及刚度均高于横向连接,纵向连接的次弯曲效应小于横向连接。     

国产无机纤维复合材料的性能研究

测试了3种国产无机纤维（玻璃纤维、碳纤维和玄武岩纤维）复合材料的拉伸性能和弯曲性能,并通过有限元模拟对这3种无机纤维复合材料产品的刚度状况进行了对比。结果显示,碳纤维复合材料的拉伸性能明显高于玻璃纤维复合材料和玄武岩纤维复合材料,具有优异的力学性能。碳纤维复合材料的比强度是钢材的7.65倍、铝合金的5.85倍,比模量是钢材的2.50倍、铝合金的2.60倍;与钢材相比,玻璃纤维复合材料和玄武岩复合材料都具有较好的比强度和比模量。试验表明,这3种无机纤维复合材料都是较为理想的轻量化材料。     

梯度碳纤维复合材料/铝合金复合多胞管斜压失稳研究

以碳纤维复合材料 （Carbon Fiber Reinforced Polymer/Plastic,CFRP） /铝合金复合多胞吸能管为研究对象,建立基于试验验证的高精度有限元模型,对比分析了CFRP/铝合金复合单胞管与多胞管在多角度斜向压缩工况下的动力学响应,阐明CFRP/铝合金复合多胞管的优缺点,解析CFRP与铝合金的吸能贡献机制。针对CFRP/铝合金多胞管大角度工况下的斜压失稳问题,提出一种基于CFRP梯度缠绕策略的失稳控制方法,明确了以CFRP正向梯度缠绕铝合金复合多胞管为基础构型的解决方案。通过对梯度厚度差值与梯度层数进行参数化研究,建立了高效精准的梯度设计策略,确保CFRP/铝合金复合多胞管在期望角度范围内始终保持稳定高效的变形模式,实现多工况综合耐撞性能的显著提升。研究 成果为多材料轻质安全车身结构的耐撞性设计提供理论指导与共性技术支撑。     

铸造铝合金CXXX的失效行为分析

采用数值参数反分析方法得到铸造铝合金CXXX的GISSMO损伤失效参数。由准静态单轴拉伸试验,得到CXXX材料的应力应变曲线,并采用SHS准则对硬化曲线进行外推。然后开展剪切、单轴拉伸、中心孔、缺口、三点弯曲、杯突六种不同应力状态下的准静态试验,并采用LS-OPT中仿真结合试验的数值反求得到GISSMO失效参数。由试验可知,铸造铝合金CXXX表现与钢材等延性材料不一样,最显著的特点就是铸铝材料在颈缩前断裂失效,这使铸造材料CXXX的GISSMO材料失效开发更简洁方便。铸造铝合金CXXX材料失效开发方法可为相近的铸铝材料工程应用提供参考。     

玄武岩纤维/铝合金层合板低速冲击性能及应用研究

制备一种玄武岩纤维/铝合金层合板复合结构,通过试验和仿真,探讨该复合结构的拉伸、压缩、剪切、弯曲和抗冲击特性。采用连续壳单元模拟纤维层,建立低速冲击仿真模型,从能量吸收、接触力和层合板损伤程度3个方面,研究铺层结构和冲击载荷角度对纤维金属层合板抗冲击性能的影响。最后,将纤维金属层合板应用于发动机罩外板,进行发动机罩静态刚度和行人头部碰撞仿真分析。结果表明,与原发动机罩相比,纤维金属层合板发动机罩的弯曲刚度和扭转刚度均有不同程度提高,行人头部保护性能得到改善。     

考虑损伤和弹性约束的行李箱支承结构优化*

以某车型的行李箱支承作为研究对象,考虑内饰部件与毛毡接触的非刚性行为与相应材料的累积损伤特性,对其进行了有限元仿真和结构优化。通过热压试验获得毛毡与部件接触处的载荷-位移曲线,采用与毛毡刚度等效的弹簧元件模拟毛毡对部件的作用,应用累积损伤失效模型模拟部件的开裂行为,其中损伤的起始判据为韧性准则,损伤后的演化准则采用基于应力软化的准则。优化后部件质量增加2.2%,承载能力提高129.6%,预测结果与测试结果符合性较好。     

冻融/干湿环境影响下CFRP板-钢界面黏结性能试验

恶劣环境影响下纤维增强复合材料(CFRP)板加固钢结构的黏结界面是薄弱环节.为掌握恶劣环境对加固界面黏结性能的影响程度,制作了干湿、冻融和冻融/干湿交互环境作用的CFRP板-钢双搭接试件,开展了试件的拉伸试验,分析了试件破坏模式、极限承载力、界面剪应力及分布、黏结-滑移关系和界面刚度变化等.结果 表明:多数试件发生CF...     

轻型客车主副簧式复合材料板簧模态分析

为了考察并高效率地控制某轻型客车主副簧式复合材料板簧的模态特性,文章以成熟的单片复合材料板簧有限元建模方法为参考,采用ABAQUS软件建立了某轻型客车主副簧式复合材料板簧的有限元模型,并对该主副簧式复合材料板簧的刚度特性及模态特性进行了仿真分析。由于单片复合材料板簧的刚度及模态仿真结果均与相应试验结果吻合,因此采用相同材料参数及建模方法建立的主副簧式复合材料板簧有限元模型的仿真结果可信。根据仿真结果,研究了主副簧式复合材料板簧的铺层角度、复合材料密度、增强纤维弹性模量等关键设计变量对其一阶模态频率的影响规律,并进行了灵敏度分析,提出了相应的匹配设计思路,这对完善复合材料板簧的设计理论、促进其推广应用具有重要意义。     

基于直接拉伸试验的钢纤维混凝土损伤特性研究

结合DIC技术对预埋螺栓式钢纤维混凝土试件展开直接拉伸试验，研究了钢纤维体积掺量、钢纤维长度和钢纤维类型对钢纤维混凝土开裂模式、抗拉强度、峰值应变以及裂后延性的耦合影响规律。研究结果表明：钢纤维混凝土在直接拉伸过程中的开裂声响、裂缝形态及裂缝数目等特性受钢纤维掺量影响显著；掺入钢纤维后混凝土的抗拉强度、峰值应变及裂后延性均有不同程度增加；相较于铣削型钢纤维浇筑时易出现重叠和成团现象，端钩型钢纤维更易浇筑均匀及密实，与混凝土基体间形成更加紧密的黏结，拉伸后期端部弯钩的变形抵抗力提升了桥联作用，端钩型钢纤维对抗拉强度和裂后延性的提升表现较优越。结合DIC结果进一步揭示了钢纤维混凝土直接拉伸作用下的细观破坏机理，钢纤维混凝土拉伸破坏可以分解为4个阶段：Ⅰ弹性阶段、Ⅱ细观裂缝稳定扩展阶段、Ⅲ裂缝失稳扩展阶段、Ⅳ纤维拔出阶段。根据试验结果建立了综合考虑混凝土基体特性、钢纤维体积掺量、钢纤维长度及钢纤维类型影响的钢纤维混凝土应力-应变模型，在此基础上，引入拉伸损伤因子综合考虑抗拉强度、峰值应变以及裂后延性对钢纤维混凝土损伤发展特性的影响。     

CFRP拉索斜拉桥静载试验分析

为检验碳纤维增强复合材料(CFRP)拉索斜拉桥在运营阶段的实际工作性能,在已有研究成果基础上,对中国首座CFRP拉索斜拉桥进行了静载试验分析.介绍了静载试验的主要内容和方法,并将有限元模型的理论计算结果与该桥应变、位移的实测结果进行了对比分析.分析结果表明:结构的静力行为与理论计算结果基本吻合,桥梁刚度和承载能力满足设计要求,整体工作性能良好.研究结果可为CFRP拉索应用于大跨斜拉桥建造的研究和实践提供参考.     

车用CFRP层压圆柱壳冲击损伤分析及最小穿透能量预测

为了探究碳纤维增强复合材料（CFRP）在汽车曲面零部件上的应用前景,该文以碳纤维增强复合材料（CFRP）层压圆柱壳作为对象,研究其在落锤冲击工况下的损伤与吸能特性。基于复合材料均质化方法,建立CFRP层压圆柱壳落锤冲击的多尺度模型,探究曲率半径对冲击损伤和能量吸收的影响;并采用非线性拟合方法建立了最小穿透能量与层压圆柱壳材料参数、结构参数及落锤参数之间的函数关系,实现概念设计阶段最小穿透能量的快速预测,对比仿真结果拟合公式的误差在20%以内。结果表明：相较于平板,层压圆柱壳的峰值载荷宽度更大、更平稳。在60 J冲击作用下,层压圆柱壳各铺层损伤面积相对均匀,其中纤维损伤与曲率半径无关,基体损伤面积随曲率半径增大而增大;当曲率半径为100 mm时,层压壳承载及抵抗变形能力较好,具有较好的抗冲击性;当曲率半径为200 mm时,层压壳耗散能量最多,吸能效果较好。     

基于Johnson Cook失效分析的座椅背板结构优化

依据法规GB 15083-2019《汽车座椅、座椅固定装置及头枕强度要求和试验方法》,对带座椅背板结构车身进行行李动态冲击仿真分析,并对仿真分析与试验结果进行相关性分析。针对座椅背板结构失效,在有限元仿真模型中引入Johnson Cook失效模型,来提高CAE分析结果与试验的相关性。在对标相关性良好的有限元模型基础上,引入DOE正交试验矩阵,进行座椅背板结构及连接螺栓等级的综合优化设计,确保车身结构及座椅总成满足行李动态冲击法规试验的要求。     

基于内聚力模型的动力电池胶粘连接仿真研究

针对动力电池中的胶粘连接,本文开展电池包用结构胶粘接对接接头和拉伸剪切接头的力学性能测试,获取了基于内聚力模型的胶粘界面力学性能参数,并将其应用于电池包准静态挤压分析中,仿真预测挤压过程中结构胶的开裂失效和整包的机械安全性能。对动力电池包开展挤压试验,实测结果与仿真结果基本相符,未发生安全问题。基于内聚力模型模拟结构胶开裂失效,可以为电池包结构高集成和轻量化设计提供技术支撑。     

镁铝合金车轮胶栓复合连接稳健性优化设计

提出了车轮胶栓复合连接的多目标确定性与稳健性优化设计方法。首先,建立镁铝合金组装式车轮螺栓连接有限元模型,对其进行弯曲疲劳寿命仿真,对比疲劳试验结果,验证了车轮仿真模型的准确性。随后,建立结构胶弹塑性本构模型,通过试验得到其应力应变曲线和剪切强度。最后,选取胶层厚度与种类、螺栓预紧力和螺栓孔直径为设计变量,建立车轮栓胶复合连接参数化仿真模型,以车轮连接螺栓疲劳寿命、结构胶最大拉伸和最大剪切应力为优化目标,借助ISIGHT优化平台,分别采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)和微存档遗传算法(AMGA)对车轮胶栓连接结构进行了多目标确定性和6σ稳健性优化设计。稳健性优化后车轮连接的可靠性得到进一步提升。     

整车耐撞自冲铆连接仿真失效参数求解方法研究

研究提出了一种基于Ls-dyna软件的自冲铆连接整车耐撞仿真方法,结合不同受力状态下的试验及有限元分析,求解不同受力状态下的自冲铆连接的失效参数,从而在保证仿真精度的同时提升仿真计算效率。在基于试验设计的基础上,首先建立了铆接接头的精细仿真模型,并利用*CONSTRAINED＿SPR2建立了简化的仿真模型,以试验与精细仿真结果的提取值作为简化参数输入,可极大提高整车耐撞模型的运算速度。该方法通过与试验结果标定分析,可实现自冲铆连接失效力峰值仿真精度达90%以上,可应用于整车级耐撞分析。     

PMMA风挡玻璃对白车身静刚度的影响分析

通过单轴拉伸试验和单搭接剪切试验,得到胶的拉伸和剪切应力-应变曲线;分别用线弹性和超弹性模型作为胶的材料模型,对拉伸和剪切过程进行仿真。仿真与试验结果对比表明,用超弹性模型能更准确模拟胶在剪切和拉伸作用下的力学行为。用该模型模拟风挡玻璃与车身的连接,分析PMMA玻璃替代、无机玻璃、夹层玻璃对白车弯曲刚度和扭转刚度的影响。分析结果表明,PMMA风挡玻璃质量仅为无机玻璃质量的60%,对车身静刚度的贡献量与无机玻璃相近。