面向新能源汽车吸能件的碳纤维复合材料冲击损伤机理与多尺度优化设计研究

Lightweight design is critical for both conventional and new-energy vehicle to address energy and emission concerns in current automotive industries. Carbon Fiber Reinforced Plastic（CFRP）have attracted a lot of attention duu to its high specific stiffness and energy absorption. The CFRP has complex mechanical properties,which are influenced by the mechanical property of the carbon fiber and the matrix, the volume fraction of the fiber and its micro-structure. When loaded under impact loading, damage occurs to all the constitutes, and the damage mechanism is complex. The crashworthiness of CFRP structures is not only influenced by the material property, but also the geometrical parameters, boundary conditions and trigger structure. It is meaningful to investigate the damage mechanism of CFRP under impact loading for the lightweight design and better crash performance of the new-energy vehicle. In this researh,micromechanical model is built to predict the stiffness and strength of the CFRP accurately by means of experiment and numerical method.The influence of the micro-structure on the macro-property of the CFRP is analysed based on the computational model. The constitutive model considering damage evolution and failure is established to model the crash behavior of CFRP structure. Finally, the afore mentioned results are used to design the energy absorption structure of new-energy vehicle based on multi-scale optimization.

减轻汽车质量以减少燃料消耗、降低环境污染成为汽车工业的核心问题。碳纤维复合材料比刚度和比吸能大等优点，受到汽车工业的重视。碳纤维复合材料力学性能复杂，其力学特性受碳纤维及基体的性能、碳纤维的体积百分比以及细观结构等的影响。在碰撞冲击过程中多相材料相互作用，损伤和破坏机理复杂多样，难以确定撞击能量吸收机理。因此开展碳纤维复合材料冲击损伤演化规律及吸能机理研究，对推动复合材料在新能源汽车轻量化中的应用，具有重要意义。本项目将通过实验与数值仿真相结合，建立精确的计算细观力学预测模型，揭示材料的细观参数对其宏观力学性能的影响规律；建立能够正确表征材料的本构模型、失效模型和损伤模型；揭示新能源汽车典型碰撞吸能件结构在冲击压溃非连续变化过程中的撞击能量吸收机理；确定影响材料耐撞性、吸能特性的关键影响因素；研究并实现新能源汽车吸能件的多尺度材料和结构稳健优化设计，为其在汽车工业中的应用提供理论指导。

碳纤维复合材料具有密度小、比强度和比刚度大等特点，在汽车轻量化应用方面前景广阔。碳纤维复合材料在结构上具有典型的多尺度特性，其力学性能具有各向异性，并呈现出复杂的损伤演化过程。碳纤维复合材料结构设计变量多，结构响应非线性强，其优化问题的定义和求解是碳纤维复合材料零部件结构优化设计的难点。本课题进行了平纹机织碳纤维复合材料轴向和偏轴方向准静态以及动态载荷下的拉伸和压缩力学性能实验，研究了加载方式对其弹性性能和损伤破坏情况的影响，表明平纹机织碳纤维复合材料的面内力学性能以及应变率效应的影响具有各向异性和拉压非对称性，揭示了材料的关键面内力学性能参数随加载方向和应变率的变化规律。针对碳纤维平纹机织复合材料细观参数多、宏观力学行为复杂的特点，研究了组分材料的非线性和损伤演化，建立了材料的多尺度力学模型，研究了平纹机织碳纤维复合材料在组合应力工况下的初始损伤、损伤演化以及失效情况，预测了其力学性能，揭示了材料损伤演化机理。基于计算细观力学及统计学理论，建立了材料的随机性本构模型，从细观和介观尺度揭示了材料力学行为不确定性的根源，实现了不确定性在不同尺度间从细观结构到宏观力学性能传递规律的定量描述。针对碳纤维复合材料力学性能的可预测性以及结构性能响应的特点，采用序贯采样代理建模技术以及改进的粒子群优化方法，提出了基于多尺度建模技术和优化技术的碳纤维复合材料零部件结构优化设计流程，并应用于整体式碳纤维复合材料保险杠系统的结构优化设计中，为其在汽车工业中的应用提供理论指导。