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456

作者：

李贝

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摘要：

随着汽车环境污染和资源问题日益严重,汽车轻量化逐渐成为一个越来越热门的研究领域。轻量化材料是实现汽车轻量化的重要途径之一,其中纤维增强型复合材料作为新兴的轻量化材料,由于其良好的力学性能和巨大的轻量化潜力受到了广泛的青睐。本文基于我国GB17354-1998汽车前、后端保护装置标准,将长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料(LGFT)和连续碳纤维增强环氧树脂基复合材料(CFRP)两种复合材料应用到汽车保险杠防撞梁上进行了如下研究:首先,开展了LGFT和CFRP材料试件的制备及相关力学性能测试。按照国标进行了拉伸和三点弯试验,得到了材料的拉伸强度、杨氏模量和断裂应变等参数,并基于试验与反求分析获取有限元仿真分析相关参数。其次,以某车型铝制保险杠防撞梁为原型,采用LGFT及CFRP复合材料进行刚度等代设计,并按照法规要求建立了防撞梁低速碰撞模型。根据仿真结果综合分析了复合材料保险杠防撞梁在两种工况下相对于铝制防撞梁的耐撞性和轻量化性能,同时对比了三种材料的轻量化成本。结果表明:在满足耐撞性能要求下,LGFT与CFRP防撞梁轻量化效果明显,相对于原铝制保险杠防撞梁分别减轻11.2%和46.1%;材料成本方面LGFT成本有所降低,CFRP成本显著增加。再次,分析了CFRP复合材料层合板的吸能特性,采用遗传算法对CFRP保险杠防撞梁进行铺层角度优化,以最小碰撞峰值力为目标,以碰撞器侵入量为约束建立了铺层角度优化模型,优化后的保险杠防撞梁的最佳铺层为[0/-45/90/45/45/90/-45/0]。对铺层角度优化前后的保险杠防撞梁的有限元仿真结果进行了对比,铺层角度优化后的CFRP保险杠防撞梁的峰值力明显降低。最后,根据防撞梁在两种工况下的变形和受力特点并利用LGFT材料便利的制造工艺性,采用了一种连续变截面厚度设计方法。将防撞梁厚度值作为设计变量,通过采集试验点构建关于碰撞峰值力、防撞梁质量的响应面模型,并利用自动优化专家算法对代理模型进行优化求解。结果表明:优化所得结果参数响应值与模型仿真值的误差在10%以内。变厚度设计能够使防撞梁结构的质量分布更为合理,优化后的连续变截面厚度防撞梁能更好的兼顾轻量化与耐撞性能。本文所做的研究,对于汽车防撞梁轻量化效果和低速碰撞性能的提升具有明显作用,同时对纤维增强型复合材料在汽车上的应用具有一定的借鉴意义。

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关键词：

保险杠；LGFT；CFRP；轻量化；耐撞性；铺层优化；变厚度

学位级别：

硕士

DOI：

CNKI:CDMD:2.1016.239024

被引量：

9