多胞碳纤维复合材料结构仿生设计及其吸能机理研究

Lightweight has been a key technology for the development of automobile industry. The Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) is not only of lighter weight and higher strength, but also better energy absorption capability compared to the metallic material, it has become a most promising automotive lightweight material. How to ensure the lightweight while meeting the safely requirement is a key issue in the application in the automobile structures. Our recent experimental results show that the multi-cell configuration can effectively improve the energy absorption capability for structure, whereas there have been limited studies on the design approach and energy absorption mechanism for multi-cell CFRP structures, which need to solve.The project aims to establish a biomimetic design approach for the multi-cell CFRP structures, which can provide the potential multi-cell configuration programs with customized performance. Through the refinement numerical simulations and experiments, the deformation behavior and failure mehcanism of the basis elements in unit cell, the interaction mechanism and coupling effect between unit cells, the energy absorption mechanism of whole multi-cell structure will be addressed. The effects of cell shape, size, fiber materials and plies on the failure modes and energy absorption will be studied, and the approaches used to match the optimal crashworthiness characterisitcs and control the structural instability will be proposed. The project is useful for estalishing design approach for novel composite structures, expanding the damage mehcanism of composite structures and playing a key role in the development of energy absorption apparatus for automobiles.

轻量化一直是汽车产业发展的关键技术，碳纤维复合材料相对传统金属材料更加轻质高强，具有更优吸能特性，已成为一种最具潜力的汽车轻量化材料。如何在实现结构轻量化的同时保证耐撞安全性能是碳纤维复合材料在汽车领域应用的关键问题。前期预实验结果显示碳纤维复合材料结构多胞化可以有效提高结构耐撞性能，然而其设计方法和吸能机理研究并不深入，亟待解决。本项目旨在借荐自然界的仿生原理建立一套多胞结构的设计方法，自动演化出性能定制的多胞构形；建立多胞结构的精细化仿真模型并开展物理实验，揭示胞元基本元素的变形行为和失效机理，胞元间相互作用和耦合关联效应，整体结构的吸能机理；建立胞元形状、尺寸、纤维材料、铺层等因素与整体结构破坏模式和吸能的影响模型，提出最佳性能匹配和失稳控制方法。本项目的研究，对建立新型复合材料结构设计方法，完善复合材料结构破坏理论，指导轻质高性能汽车吸能装置开发具有较高的学术价值和显著的实践意义。

轻量化一直是汽车产业发展的关键技术，碳纤维复合材料轻质高强且吸能性能优异，已成为一种重要的汽车轻量化材料。如何在实现结构轻量化的同时保证耐撞安全性能是碳纤维复合材料在汽车领域应用的关键问题。将金属材料构件多胞化可以提高结构的吸能特性，复合材料构件多胞化是否也可以提高吸能性能、该结构的设计方法和吸能机理如何，亟待探索。鉴于此，本项目开展了多胞结构的仿生设计、探索了仿生多胞碳纤维样件的制备工艺方法、研究了多胞碳纤维结构吸能机理和胞元参数对吸能性能影响规律。项目首先分析了椰子树、天轮柱和竹等植物的结构特性，通过微观扫描方法研究了生物结构的截面特点，基于载荷、结构和功能相似性分别设计了多胞、多角、圆柱夹层仿生吸能结构，通过仿真和实验发现在相同质量下具有比传统结构更高的吸能性能，如碳纤维仿生多角结构准静态压缩下的比吸能值比普通方管高约15%；针对多胞的结构特点和碳纤维材料的成型特性，开发了多胞粘接和一体化成型两种工艺，对比了不同工艺对结构吸能的影响；研究了碳纤维复合材料胞元元素、胞元和整体结构的变形行为和吸能机理，分析了多胞结构中胞元元素如直边、拐角、T形和十字形角的破坏机理，发现同质量下拐角耦合了翻卷和横向撕裂两种破坏行为，取得最高平均力，研究了仿生双胞、三胞和多角等结构的胞元之间相互作用机理，探索了碳纤维和金属多胞结构吸能机理的区别；最后研究了结构中胞元形状、尺寸、纤维材料和铺层等特征参数对结构破坏模式和吸能特性的影响规律，建立了胞元特征参数与耐撞性能的多目标优化模型，求解获得较高吸能的碳纤维多胞结构优化设计方案，优化结果与原始设计峰值力相近，比吸能提高了5.26%。本项目的研究，对建立新型复合材料结构设计方法，完善复合材料结构破坏理论，指导轻质高性能吸能装置开发具有较高的学术价值和显著的实践意义。