復合材料薄壁管沖擊斷裂分析與吸能特性優化

      為實現不同沖擊載荷下的吸能管結構逆向設計，應用復合材料強度和剛度理論，計算得到樹脂基纖維增強復合材料正交各向異性的力學參數，同時應用非線性顯式有限元算法模擬了軸向沖擊載荷作用下管件的動態斷裂過程。根據正交設計原理，得到了管件比吸能與其幾何參數之間的非線性映射關系，并構造出了相應的響應表面。按照汽車正面碰撞對沖擊加速度的要求，應用序列二次規劃算法對吸能管進行了優化設計，得到了具有較優吸能效率和較小沖擊力峰值的吸能管結構參數。結果顯示：方管的變形模式、吸能量、沖擊載荷位移曲線變化趨勢、沖擊載荷峰值等與試驗結果吻合很好；當管件的壁厚、截面長度、管長分別選取2.1、44、200 mm時，可得到設計域內的最大比吸能29. 23 J/g。
     
      盡管金屬薄壁管作為吸能元件已被廣泛使用，但樹脂基復合材料管件因比剛度高、比吸能大，特別是可根據使用要求對其材料組分及結構參數進行逆向設計，在某些輕量化要求較高的領域有望取代金屬管件。然而，復合材料結構件在沖擊載荷作用下的吸能機制比較復雜。目前，其逆向設計過程仍需要借助大量試驗，通過改變基體和增強相材料種類及含量，或改變試件幾何尺寸、鋪層順序和加工工藝等方法，制作出大量試件，然后逐一進行沖擊試驗測試，再從中優選。由于影響因素眾多，耗費巨大，周期長、效率低，且復合材料的性能對加工工藝、試驗條件等非常敏感，試驗的重復性較差，又進一步增加了試驗成本。因此，探索滿足T程要求的理論模型和模擬方法可以起到事半功倍的效果臥，并且能夠得到諸如裂紋擴展進程、失效部位應力應變響應歷程等試驗研究無法獲得的數據。

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