畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開(kāi)題報(bào)告-FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1、本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題掖告論文題目fsae復(fù)合材料緩沖吸能模塊設(shè)計(jì)及優(yōu)化班級(jí) 姓名 院（系）汽車(chē)工程學(xué)院導(dǎo) 師開(kāi)題時(shí)間 2013億231 課題研究的目的和意義隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，工業(yè)、民用、國(guó)防等領(lǐng)域?qū)Σ牧闲阅艿囊笠苍?不斷提高，單一材料的各種性能已經(jīng)很難滿足其使用要求，復(fù)合材料則應(yīng)運(yùn)而生， 復(fù)合材料是由兩種或多種材料在宏觀尺度上組合成的一種材料;復(fù)合材料相對(duì)于 單一材料的優(yōu)點(diǎn)是顯著的,不僅具有各種組分材料的良好特性，而且有些特性是 組分材料所不具備的，復(fù)合材料能在以下的各個(gè)方面對(duì)組分材料進(jìn)行改善，如強(qiáng) 度、剛度、疲勞壽命、耐腐蝕性、耐磨性、導(dǎo)熱性、隔音性等。當(dāng)然上述性能 不可能同時(shí)改

2、善，可以根據(jù)材料使用功能的具體要求對(duì)材料進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。由于復(fù)合材料是由多種組分材料組合而成，因此一般具有非均質(zhì)性,其力學(xué) 性能也具有了新的特點(diǎn):1、明顯的各向異性;2、不均勻性和一定程度上的不連續(xù) 性;3、各種模量和各種強(qiáng)度的不均衡性;4、幾何非線性和材料非線性側(cè)。由于復(fù)合材料和單一材料之間有很大的差異，它的結(jié)構(gòu)特性比各向同性材料 要復(fù)雜得多，以往單一材料的各種理論都不再適用，因此要建立與復(fù)合材料相適 應(yīng)的物理數(shù)學(xué)模型，通過(guò)結(jié)構(gòu)特性的研究比較精確的計(jì)算出材料在外載荷作用下 的應(yīng)力一應(yīng)變響應(yīng)視律。復(fù)合材料的強(qiáng)度問(wèn)題主要集屮在損傷機(jī)理和破壞準(zhǔn)則,而為了尋求到復(fù)合材 料的最優(yōu)設(shè)計(jì)，必須掌握了復(fù)合材

3、料客觀存在的損傷機(jī)理和破壞準(zhǔn)則。由于復(fù)合 材料復(fù)雜的破壞機(jī)制，大部分的研究仍然是通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法來(lái)確定復(fù)合材料的機(jī) 械性能及破壞模式運(yùn)用有限元軟件對(duì)復(fù)合材料的失效行為進(jìn)行仿真模擬，可避免實(shí)驗(yàn)難度大、 費(fèi)用高等問(wèn)題，并且可隨時(shí)連續(xù)動(dòng)態(tài)地顯示破壞的發(fā)展，了解整體與局部的過(guò)程。 ansys / ls-dyna是以顯式為主、隱式為輔的非線性動(dòng)力有限元仿真分析求 解器，它采用中心差分時(shí)間積分的顯式方法，可以求解各種非彈性結(jié)構(gòu)高速碰撞 等大變形動(dòng)力響應(yīng)。本課題通過(guò)使用ansys / lsdyna建立復(fù)合材料破壞仿真模型，通過(guò)對(duì) 層合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、連接件的垂向剪切測(cè)試、單耳雙耳切向剪切測(cè)試等典型試 驗(yàn)進(jìn)行模

4、擬，并通過(guò)和實(shí)際試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。為后續(xù)試驗(yàn)的進(jìn) 行以及大型層合結(jié)構(gòu)零件分析做鋪墊。同時(shí)，在ansys / lsdyna復(fù)合材料破壞仿真模型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)環(huán)氧 樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料防撞模塊，比較多種環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料緩沖模塊 吸能特性，通過(guò)模擬準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)，并針對(duì)吸能特性和輕量化 對(duì)吸能模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化。并在模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)落錘試 騎，對(duì)分析模型進(jìn)行騎證，減少設(shè)計(jì)、試制過(guò)程中消耗浪費(fèi)，縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間。2. 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀由于復(fù)合材料相對(duì)于單一材料而言有其特殊性,但和單一材料也有著共性的 問(wèn)題，所以在研究復(fù)合材料的強(qiáng)度問(wèn)題z前,先對(duì)單一材料和

5、結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度問(wèn)題進(jìn) 行總結(jié)。自從19的年著名的mohr-coulonu強(qiáng)度理論建立以來(lái)，已經(jīng)有了上百年 的歷史，強(qiáng)度理論問(wèn)題是研究材料在復(fù)雜應(yīng)力條件下的屈服和破壞的規(guī)律，它是 一個(gè)總稱，包括屈服準(zhǔn)則、破壞準(zhǔn)則、疲勞準(zhǔn)則，以及蠕變條件等問(wèn)題;強(qiáng)度理論 是材料強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的基礎(chǔ)，它在物理、力學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域有著重要的作用， 因此強(qiáng)度問(wèn)題也成了物理、力學(xué)和材料學(xué)領(lǐng)域永恒的主題,對(duì)于強(qiáng)度理論已經(jīng)形 成了上百個(gè)模型，但由于強(qiáng)度問(wèn)題的復(fù)雜性，在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有一個(gè)系統(tǒng)的結(jié) 論，對(duì)于繼續(xù)研究和應(yīng)用于工程領(lǐng)域都很不方便，因此又建立了統(tǒng)一的強(qiáng)度理論。 下面對(duì)上百個(gè)模型進(jìn)行了總結(jié)和分類，并描述了統(tǒng)一強(qiáng)度理論的特點(diǎn)

6、和意義。強(qiáng)度理論的分類:各國(guó)學(xué)者提出的眾多的強(qiáng)度理論和各種表達(dá)式模型說(shuō)明了 強(qiáng)度理論問(wèn)題是“百花齊放，百家爭(zhēng)鳴”的，但可以從以下幾個(gè)方面對(duì)強(qiáng)度理論進(jìn) 行分類叫（1）按材料參數(shù)數(shù)量分類:包括單參數(shù)，雙參數(shù)和多參數(shù)破壞準(zhǔn)則。對(duì)于拉 壓強(qiáng)度相同的材料采用單參數(shù)準(zhǔn)則;對(duì)于拉壓強(qiáng)度不同的材料采用雙參數(shù)準(zhǔn)則； 對(duì)于拉壓強(qiáng)度不同，并且單軸壓縮強(qiáng)度和雙軸等向壓縮強(qiáng)度也不相同以及更復(fù)雜 的材料性質(zhì)時(shí)可以采用三參數(shù)以及更多參數(shù)的準(zhǔn)則。（2）按強(qiáng)度理論的功能分類: 單一材料強(qiáng)度理論和統(tǒng)一強(qiáng)度理論。前者僅適用于某一種材料的破壞狀態(tài)，統(tǒng)一 強(qiáng)度理論有著相對(duì)的通用性。（3）按方程的線性與非線性分類:即材料的破壞準(zhǔn)則 是線

7、性方程還是非線性方程;除了最大止應(yīng)力理論、最大拉應(yīng)變理論、單剪強(qiáng)度 理論、雙剪強(qiáng)度理論以外的強(qiáng)度理論多數(shù)為非線性的。（4）按剪應(yīng)力分類:單剪強(qiáng) 度理論、雙剪強(qiáng)度理論、三剪強(qiáng)度理論;其中的單剪、雙剪、三剪強(qiáng)度理論的破 壞極限面。（5）按極限面的大小和內(nèi)外邊界分類：即通過(guò)對(duì)比各個(gè)準(zhǔn)則的外凸破壞 極限面的內(nèi)外進(jìn)行分類；mamai is在對(duì)復(fù)合材料管件的試騎結(jié)果總結(jié)后將后續(xù)壓潰階段分為3類：漸 進(jìn)破壞過(guò)程，伴隨有大量的能量吸收，包括蘑菇狀破壞過(guò)程、殼邊緣內(nèi)翻和殼邊緣 外翻破壞過(guò)程，載荷導(dǎo)致元件失去承載能力的脆性破壞,元件吸收能量很少,包 括螺旋狀縱向裂紋和中段材料斷裂,，類似薄壁金屬和塑性管件的漸進(jìn)屈

8、服，吸 收能量也較少。近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)復(fù)合材料元件的吸能能力也已開(kāi)展了少量 的試騎研究，桂良進(jìn)、杜星文在復(fù)合材料圓柱管的試騎中發(fā)現(xiàn)±45良的試件通 常發(fā)生45°方向的穿透裂紋導(dǎo)致非穩(wěn)態(tài)壓縮現(xiàn)象。對(duì)于復(fù)合材料元件壓潰過(guò)程的理論分析工作已有近40年的歷史，但至今仍有 許多基本問(wèn)題未能澄清。rosen：7 8在1965年針對(duì)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的壓潰 過(guò)程率先開(kāi)展了理論研究，他基于纖維在基體中的彈性微屈曲模型，推導(dǎo)出了 rosen公式,但該模型對(duì)壓潰強(qiáng)度的理論預(yù)測(cè)遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)值。1972年argon等 在考慮基體塑性變形的情況下對(duì)rosen理論進(jìn)行了修正，提出了失穩(wěn)壓力公式，

9、該公式對(duì)纖維初曲率十分敏感，從而限制了其適用范圍。piggot和hairis®對(duì)纖維 增強(qiáng)復(fù)合材料壓潰破壞問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究，steif將hill和hutchinson 的分叉理論思想用于研究層狀材料的壓潰問(wèn)題，在分析中將材料模擬成超彈性。1993年魏悅廣和楊衛(wèi)7j0j1研究了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在纖維縱向承壓時(shí)的貫 穿型細(xì)觀失穩(wěn)，提出了纖維彈塑性微屈曲的觀點(diǎn)，并由彈塑性穩(wěn)定理論導(dǎo)出了層 狀周期排列的纖維復(fù)合材料的臨界失穩(wěn)載荷參數(shù)式,結(jié)合壓潰應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系進(jìn)一 步確定彈塑性失穩(wěn)點(diǎn)的位置，從而導(dǎo)出了壓潰強(qiáng)度的理論公式。上述的理論分析 都針對(duì)單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料,且只能預(yù)測(cè)臨界載荷，

10、無(wú)法計(jì)算后續(xù)的平均載荷 和吸能能力，目前這種方法還無(wú)法應(yīng)用于工程實(shí)踐對(duì)元件緩沖吸能性能的分析 中。鑒于復(fù)合材料圓柱殼元件在汽車(chē)行業(yè)的大量應(yīng)用，hull等他對(duì)圓柱殼及類似 形狀的復(fù)合材料薄壁件進(jìn)行了研究。hull根據(jù)載荷位移曲線的后續(xù)壓碎階段的曲 線特征認(rèn)為它近似于粘滯-滑移現(xiàn)象。boneill等問(wèn)在hull的研究基礎(chǔ)上提出了壓 潰的流變模型，采用彈性元件和阻尼器組合的結(jié)構(gòu)來(lái)模擬復(fù)合材料圓柱殼的穩(wěn)態(tài) 壓潰載荷位移曲線。1995年桂良進(jìn)和杜星文等提出了改進(jìn)的流變模型，通過(guò)試 驗(yàn)的載荷位移曲線確定模型屮的6個(gè)參數(shù)，這樣就可以模擬復(fù)合材料圓柱売穩(wěn)態(tài) 壓潰過(guò)程的后續(xù)載荷位移曲線，同時(shí)采用殼體理論計(jì)算屈服

11、臨界載荷。這種方法 只能模擬穩(wěn)態(tài)壓潰過(guò)程，且無(wú)法模擬壓潰的全過(guò)程，在工程應(yīng)用中仍存在較大的 缺陷。華南理工大學(xué)機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院宋毅、王潘等人根據(jù)復(fù)合材料層合圓柱殼 體受軸向沖擊作用下的動(dòng)力學(xué)，通過(guò)準(zhǔn)靜態(tài)壓縮實(shí)驗(yàn)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)型和采用花瓣型引發(fā) 方式的玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（gfrp）層合圓柱殼體的緩沖吸能特性進(jìn)行了研 究，運(yùn)用ansys/lsdyna基于chang. chang失效準(zhǔn)則判斷的模型對(duì)落錘 沖擊下復(fù)合材料層合圓柱殼體的動(dòng)力響應(yīng)過(guò)程進(jìn)行了模擬。3. 本課題的研究?jī)?nèi)容及技術(shù)方案本課題主要針對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料失效破壞形式建立分析模型，并 通過(guò)對(duì)層合板典型試騎進(jìn)行模擬，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性

12、。同時(shí)，在仿真模型的 基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料防撞模塊，并在模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行 試驗(yàn)。本文主要研究的內(nèi)容如下：（1）使用ansys / lsdyna基于環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料的各項(xiàng)異 性和失效形式建立有效的非線性有限元分析模型。（2）對(duì)現(xiàn)有環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料層合板三點(diǎn)彎曲試騎、連接件的垂 向剪切測(cè)試、單耳雙耳切向剪切測(cè)試等典型試驗(yàn)進(jìn)行模擬，并通過(guò)和實(shí)際試驗(yàn)對(duì) 比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性，對(duì)分析模型進(jìn)行修正。（3）設(shè)計(jì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料防撞模塊，比較多種環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖 維復(fù)合材料緩沖模塊吸能特性，模擬準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)，并針對(duì)吸 能特性和輕量化做結(jié)構(gòu)優(yōu)化。（4

13、）進(jìn)行環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料防撞模塊準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)落錘 試驗(yàn)，驗(yàn)證分析結(jié)果。4. 本設(shè)計(jì)的特色4.1ansys/ls-dyna非線性有限元分析模型ansys / lsdyna是以顯式為主、隱式為輔的非線性動(dòng)力有限元仿真分 析求解器，它采用中心差分時(shí)間積分的顯式方法，可以求解各種非彈性結(jié)構(gòu)高速 碰撞等大變形動(dòng)力響應(yīng)。利用ansys/ls-dyna shell!63> shell 181等薄殼結(jié)構(gòu) 單元逐層定義復(fù)合材料以模擬復(fù)合材料的鋪層形式，定義失效準(zhǔn)則判斷單元失 效，使模擬結(jié)果更接近于實(shí)驗(yàn)中g(shù)frp所體現(xiàn)的脆性破壞行為，通過(guò)局部強(qiáng)度的 退化算法來(lái)模擬復(fù)合材料的失效。4.2試驗(yàn)驗(yàn)證

14、分析結(jié)果在ansys / lsdyna復(fù)合材料破壞仿真模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)層合板三 點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、連接件的垂向剪切測(cè)試、單耳雙耳切向剪切測(cè)試等典型試驗(yàn)進(jìn)行模 擬，并通過(guò)和實(shí)際試驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。設(shè)計(jì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù) 合材料防撞模塊，比較多種環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料緩沖模塊吸能特性，通過(guò) 模擬準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)，并針對(duì)吸能特性和輕量化對(duì)吸能模塊結(jié)構(gòu) 優(yōu)化。并在模擬分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)，對(duì)分析模型 進(jìn)行驗(yàn)證。5. 進(jìn)度安排第13周：搜集資料，撰寫(xiě)開(kāi)題報(bào)告。第48周：學(xué)習(xí)相關(guān)軟件和設(shè)計(jì)方法，利用有限元分析軟件基于環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖 維復(fù)合材料的各項(xiàng)異性和失效

15、形式建立有效顯示動(dòng)力學(xué)分析模型。第8-12周：對(duì)復(fù)合材料層合板三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)、連接件的垂向剪切測(cè)試、單耳雙 耳切向剪切測(cè)試等試驗(yàn)進(jìn)行仿真，對(duì)模型進(jìn)行修止。初步設(shè)計(jì)環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維 復(fù)合材料防撞模塊。第12-13周：加工碳纖維防撞模塊準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)所需實(shí)驗(yàn)件。 第1314周：完成碳纖維防撞模塊準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)、動(dòng)態(tài)落錘試驗(yàn)。第1316周：根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證并繼續(xù)完善有限元分析模型，基于實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì) 環(huán)氧樹(shù)脂基碳纖維復(fù)合材料層合板及防撞模塊進(jìn)行繼續(xù)優(yōu)化。第1617周：撰寫(xiě)論文。 第18周：準(zhǔn)備答辯。6. 參考文獻(xiàn)1 朱頤齡.r.m.瓊斯.復(fù)合材料力學(xué)m.上?？茖W(xué)技術(shù)出版社:1981一 20

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