复合材料薄壁管冲击断裂分析与吸能特性优化

      为实现不同冲击载荷下的吸能管结构逆向设计，应用复合材料强度和刚度理论，计算得到树脂基纤维增强复合材料正交各向异性的力学参数，同时应用非线性显式有限元算法模拟了轴向冲击载荷作用下管件的动态断裂过程。根据正交设计原理，得到了管件比吸能与其几何参数之间的非线性映射关系，并构造出了相应的响应表面。按照汽车正面碰撞对冲击加速度的要求，应用序列二次规划算法对吸能管进行了优化设计，得到了具有较优吸能效率和较小冲击力峰值的吸能管结构参数。结果显示：方管的变形模式、吸能量、冲击载荷位移曲线变化趋势、冲击载荷峰值等与试验结果吻合很好；当管件的壁厚、截面长度、管长分别选取2.1、44、200 mm时，可得到设计域内的最大比吸能29. 23 J/g。
     
      尽管金属薄壁管作为吸能元件已被广泛使用，但树脂基复合材料管件因比刚度高、比吸能大，特别是可根据使用要求对其材料组分及结构参数进行逆向设计，在某些轻量化要求较高的领域有望取代金属管件。然而，复合材料结构件在冲击载荷作用下的吸能机制比较复杂。目前，其逆向设计过程仍需要借助大量试验，通过改变基体和增强相材料种类及含量，或改变试件几何尺寸、铺层顺序和加工工艺等方法，制作出大量试件，然后逐一进行冲击试验测试，再从中优选。由于影响因素众多，耗费巨大，周期长、效率低，且复合材料的性能对加工工艺、试验条件等非常敏感，试验的重复性较差，又进一步增加了试验成本。因此，探索满足T程要求的理论模型和模拟方法可以起到事半功倍的效果卧，并且能够得到诸如裂纹扩展进程、失效部位应力应变响应历程等试验研究无法获得的数据。

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