文章目录

摘要

abstract

第1章 绪论

1.1 论文研究背景

1.2 纤维增强复合材料简介

1.3 三维角联锁复合材料研究进展

1.4 本文主要研究内容及结构安排

第2章 三维角联锁复合材料试验研究

2.1 样件制备

2.2 玄武岩纤维复合材料基本力学性能试验

    2.2.1 拉伸试验

    2.2.2 面内剪切试验

    2.2.3 层间剪切试验

    2.2.4 三点弯曲试验

2.3 玄碳混杂纤维复合材料基本力学性能试验

2.4 本章小结

第3章 三维角联锁复合材料结构参数优化

3.1 代表性体积单元模型及弹性性能预测

    3.1.1 代表性体积单元建立

    3.1.2 弹性性能预测

3.2 结构参数对弹性性能的影响

3.3 基于正交试验设计的结构参数优化

3.4 本章小结

第4章 三维角联锁复合材料弯曲及低速冲击性能仿真分析

4.1 连续损伤模型

    4.1.1 材料本构模型

    4.1.2 复合材料损伤判据

    4.1.3 材料性能退化方案

4.2 弯曲性能仿真分析

    4.2.1 弯曲有限元模型建立及验证

    4.2.2 仿真结果分析

4.3 低速冲击性能仿真分析

    4.3.1 低速冲击有限元模型建立及验证

    4.3.2 仿真结果分析

4.4 本章小结

第5章 三维角联锁复合材料在顶盖横梁上的应用分析

5.1 顶盖横梁有限元模型的建立

5.2 白车身典型工况仿真

    5.2.1 弯曲工况

    5.2.2 扭转工况

    5.2.3 模态工况

5.3 仿真结果分析

5.4 本章小结

第6章 总结与展望

6.1 论文总结

6.2 论文展望

参考文献

附录1

作者简介

致谢

文章摘要:近些年随着汽车轻量化技术的不断发展,汽车用复合材料受到行业的广泛关注。纤维增强复合材料产品优异的综合力学性能已得到汽车企业的认可,但在汽车车身上的广泛应用仍受到诸多因素的限制,如碳纤维复合材料成本过高、复合材料生产效率低以及回收处理困难等。所以纤维复合材料产品在汽车领域中的应用仍需不断地探索。在全球碳纤维资源供求紧张的背景下,我国将玄武岩纤维复合材料作为一个新的探索方向。玄武岩纤维复合材料无论在力学性能、还是耐腐蚀、隔音、保温、降噪、成本等方面都具有突出特点,并在很大程度上可以替代玻纤、碳纤维和石棉制品。三维机织复合材料已广泛应用于制造对抗分层性要求较高的工程结构中。作为三维机织物一种典型的结构形式,三维角联锁结构复合材料在经向、纬向和厚度方向上均具有较高的刚度和强度,缝经纱的存在使得角联锁结构复合材料的抗分层性和损伤容限都得到较大提升。本文将三维角联锁机织复合材料作为研究对象,采用层内混杂碳纤维和结构参数优化两种方法增强复合材料力学性能,最后将三维角联锁机织复合材料应用于汽车顶盖横梁,进行基础性研究。具体研究结果如下:（1）制备三维角联锁玄武岩纤维复合材料和玄碳混杂纤维复合材料样件,进行相关力学性能试验,包括拉伸、面内剪切、层间剪切和三点弯曲试验,获得基本力学性能参数。（2）采用纤维混杂和结构参数优化的方法对玄武岩纤维复合材料力学性能进行增强研究。纤维混杂的方式为将纬向玄武岩纤维纱线改为碳纤维纱线。建立玄武岩纤维复合材料的代表性体积单元模型,预测其弹性性能参数与试验结果对比,证明建立的代表性体积单元模型具备有效性,通过正交试验进行结构参数优化,最终其优化的结构参数组合为纱线宽度0.7mm,纱线间距0.2mm,纱线厚度0.1mm,椭圆形纱线截面偏心度0.6。（3）建立基于三维Hashin准则,采用断裂韧性的刚度指数退化方案的三维渐进损伤本构模型,使用Fortran语言编写成VUMAT子程序,并对子程序进行调试和验证。基于均质化理论建立弯曲和低速冲击有限元仿真模型,与试验对比验证模型准确性,分析复合材料在弯曲载荷下的多种损伤模式以及冲击载荷下的分层损伤。研究发现在玄武岩纤维复合材料中混杂碳纤维可以充分发挥玄武岩纤维出色的延展性以及碳纤维高模量强度的优势,提升弯曲和低速冲击工况下的最大峰值力。（4）综合层内纤维混杂及结构参数优化两种力学性能增强方法,将三维角联锁玄碳混杂纤维复合材料应用于汽车顶盖横梁。对采用复合材料顶盖横梁与钢制顶盖横梁的白车身进行弯曲、扭转和模态工况下对比。研究结果表明,三维角联锁玄碳混杂复合材料制成的顶盖横梁可以达到钢制顶盖横梁的模态频率、弯曲刚度、扭转刚度等性能指标,并且质量减轻40%,初步探究三维角联锁机织复合材料应用于汽车顶盖横梁的效果。

文章来源：《纤维复合材料》 网址: http://www.qwfhclzzs.cn/qikandaodu/2022/0130/610.html