复合材料层合板加强薄壁铝梁吸能特性试验研究

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1、复合删层訥口弓購聲smo轴鈿开究2016-12-2209:52:29汽车工程学报2016年4期宋凯吴永强姚威何智成王振O60°90°103(b)A型装(a)薄壁铝梁(a)单纯薄壁铝梁(b)A型[0]6复合材料加强薄壁铝梁(c)B型[0]6复合材料加强薄壁铝梁式「MP模1筋木来i(d)B型

2、0]4复合材料加强薄礎铝梁式「h二泊彳计』摘要：通过轴向冲击试验研究碳纤维增强复合材料(carbonFibreReinforcedPlastic,CFRP)层合板加强薄壁铝梁的吸能特性，分析铝梁和复合材料失效模式，对比承载能力经验值和试验结果，引入比吸能等指标对复

3、合材料层合板加强薄樂铝梁吸能特性进行定量分析。结果表明，复合材料层合板可以显著改善薄壁铝梁的吸能特性，比吸能和碰撞力效率指标最大提高27%和35%,基于现有经验公式可以预测复合材料层合板加强薄壁铝梁的承载能力。关键词：碳纤维增强复合材料；铝合金；薄壁结构；轴向冲击；吸能屮图分类号：TB333文献标识码：ADOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2016.04.06在汽车安全事故中，前部正面碰撞比率占所有碰撞事故的50%以上，而前纵梁、吸能盒、发动机罩等结构吸收的能量占整车前碰撞吸收能量的50%以上。汽车前纵梁通常为薄壁梁式结构，其

4、变形模式和吸能特性与薄壁粱结构类似，因此对薄壁梁结构吸能特性的研究可以指导汽车前纵梁设计。传统汽车前纵梁采用金属材料，依靠金属塑性变形吸收碰撞过程屮的能量。金属梁有失效模式稳定的优点，但金属材料密度大，不利于车身轻量化和节能减排。近年來，CFRP以较高的比强度、比刚度引起研究者的关注。Mamalis等对碳纤维复合材料薄壁方梁开展准静态和动态压缩试验，分析了几何参数、纤维铺设角度、压缩应变率对复合材料方梁失效模式和吸能特性的影响。益小苏等以复合材料管形件为基础，指出提高管形件轴向性能或提高纤维增强复合材料层问韧性有利于提高吸能效果。孟祥吉等对不同铺层

5、的CFRP波纹梁进行了冲击试验与模拟，表明薄弱环节的设置需综合考虑复合材料性能和铺层。然而，复合材料的失效是脆性的、不稳定的。-•种新的研究趋势是在复合材料的外表包覆金属梁，利用金属梁的渐进叠缩引导复合材料发生稳定失效，从而吸收更多能量。Bambach等通过轴向冲击试验得出：钢一碳纤维复合材料梁吸能特性优于钢和复合材料单独使用。对比外表包覆复合材料的钢、不锈钢及铝合金梁吸能特性，给出金属一碳纤维复合材料梁轴向冲击下峰值载荷和平均载荷的数值佔算方法°Kim等通过轴向冲击试验考察了CFRP厚度和铺层对铝合金一复合材料吸能盒吸能特性的影响。泡潔、蜂窝内芯

6、加强薄壁梁结构展现出优于单纯薄壁金属梁的吸能特性。将复合材料作为芯材可以解决包覆在外的复合材料受到刮擦、撞击产牛损伤和脱落等导致其吸能能力下降的情况。冃前复合材料内芯加强梁结构吸能特性的研究以玻璃纤维增强复合材料内芯为主，但CFRP有密度小的优点。Costas等对玻璃纤维、CFRP等内芯加强钢粱进行轴向压缩试验，结果玻璃纤维增强复合材料层合板加强钢梁吸能能力有所提高，但复合材料波纹板加强钢梁吸能能力却下降了，指出复合材料内芯的形式和结构需要合理设计。织物复合材料适合成熨形状复杂、厚度大的结构，单向层合板是复合材料应用的基本形式。本文选取T300斜纹

7、碳纤维/环氧树脂单向层合板和薄壁铝梁为研究对象，通过轴向冲击试验考察复合•材料层合板加强薄壁铝梁吸能特性。首先，介绍复合材料层合板加强薄壁铝梁结构，进行复合材料和铝合金力学性能测试。然后，制备梁试样，开展轴向冲击试验。结合屈曲形态和载荷一位移曲线分析了单纯薄壁铝梁压溃过程；分析复合材料失效模式，讨论复合材料边界条件和厚度对薄壁铝梁吸能特性的影响；基于金属梁和复合材料层合板承载能力提出梁结构承载能力的预测方法。最后，引入比吸能等评价指标，对薄壁铝梁吸能特性进行定量分析。结果表明：复合材料层合板可以显著提高薄壁铝梁的吸能特性，比吸能和碰撞力效率指标最大

8、提高27%和35%o1.结构与材料1.1复合材料层合板加强薄壁铝梁结构复合材料层合板加强薄壁铝梁由薄壁铝梁和复合材料层合板组成，结构如图I所示。薄壁铝梁长390mm,截而尺寸为100mmx50mmx2mm,总体尺寸与汽车前纵梁接近。梁底部焊接铝合金板,与汽车前纵梁和吸能盒的连接类似，如图la所示。复合材料层合板装配形式分为A型和B型。A型装配如图1b所示，两块完整层合板平行嵌入铝梁对角面。B型装配如图lc所示，层合板沿中心线切割狭长缝隙，按照切割诂况将层合板划分为I、II两部分，两块层合板倒置交叉组合成十字形嵌入薄壁铝梁。对于复合材料层合板，以竖直

9、方向为0。，铺层时斜纹织物纬纱均沿0。方向，铺层分为4层和6层，以［Ob和［Ob。衣示。本文复合材料层合板装配为三种内芯，