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基于碳纤维层合板的冲击损伤与行人头部保护性能研究

周冰洁  
【摘要】:节能环保和安全舒适是汽车工业未来发展的趋势。为了减轻汽车质量,减少油耗和环境污染,碳纤维增强树脂基复合材料越来越受到关注。碳纤维复合材料具有轻质高强、可设计性强、耐冲击等优点,并拥有良好的减震性能和较长的使用寿命,因此已经作为卡车、客车、轿车的外覆盖件和结构件应用于汽车工业。层合板是复合材料应用最广泛的结构之一,在制造、安装、维修和使用的过程中,层合板结构不可避免地会受到外部冲击,并受到损伤甚至破坏,特别是应用于汽车发动机罩上时,按照相关行人保护法规的规定,还需要满足保护行人头部的性能要求。因此,对碳纤维增强树脂基复合材料层合板的冲击性能和损伤破坏开展研究具有重要的理论意义,同时,探究层合板结构用于发动机罩时对行人头部的保护性能具有一定的工程价值。基于以上目的,本文主要进行了以下几方面的研究: (1)设计了[0]10、[0/90/0/90/0]s和[0/90/45/-45/0]s三种不同铺层方式的层合板,根据经典层合板理论,推导了单层板和层合板的本构关系,并计算了不同铺层方式下的层合板刚度矩阵。 (2)采用热压成型工艺制作了如上所述三种铺层方式的层合板,按照ASTM D7136/D7136M-12试验标准制成[0]10、[90]10、[0/90/0/90/0]s、[90/0/90/0/90]s、[0/90/45/-45/0]s、[90/0/-45/45/90]s六种试样,并对每种试样开展了5J和25J两种不同冲击能量下的落锤冲击试验。通过分析冲击过程中的冲击力、冲头位移、能量和冲击损伤情况,建立了冲击响应与冲击损伤之间的联系,并指出不同冲击能量和不同铺层方式下对于冲击响应和冲击损伤的影响。 (3)利用ABAQUS建立了复合材料层合板落锤冲击二维壳体有限元模型,运用Hashin累积损伤与失效法则来模拟层合板的渐进失效。通过对比落锤冲击试验数据,验证所建模型基本有效,并借助纤维拉伸、纤维压缩、树脂拉伸或剪切、树脂压缩四个损伤变量进一步分析损伤发生的位置和损伤原因。 (4)利用ABAQUS建立了成人头部冲击器撞击复合材料层合板的有限元模型,并使用工程分析软件DIAdem计算头部损伤指标HIC值。分析了HIC值与撞击时长、最大侵入量和吸收能量的关系,并讨论了不同铺层方式对HIC值的影响。


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