為實現(xiàn)不同沖擊載荷下的吸能管結(jié)構(gòu)逆向設(shè)計，應(yīng)用復(fù)合材料強度和剛度理論，計算得到樹脂基纖維增強復(fù)合材料正交各向異性的力學(xué)參數(shù)，同時應(yīng)用非線性顯式有限元算法模擬了軸向沖擊載荷作用下管件的動態(tài)斷裂過程。根據(jù)正交設(shè)計原理，得到了管件比吸能與其幾何參數(shù)之間的非線性映射關(guān)系，并構(gòu)造出了相應(yīng)的響應(yīng)表面。按照汽車正面碰撞對沖擊加速度的要求，應(yīng)用序列二次規(guī)劃算法對吸能管進行了優(yōu)化設(shè)計，得到了具有較優(yōu)吸能效率和較小沖擊力峰值的吸能管結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)果顯示：方管的變形模式、吸能量、沖擊載荷一位移曲線變化趨勢、沖擊載荷峰值等與試驗結(jié)果吻合很好；當(dāng)管件的壁厚、截面長度、管長分別選取2.1、44、200 mm時，可得到設(shè)計域內(nèi)的最大比吸能29. 23 J/g。
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復(fù)合材料薄壁管沖擊斷裂分析與吸能特性優(yōu)化.pdf
盡管金屬薄壁管作為吸能元件已被廣泛使用，但樹脂基復(fù)合材料管件因比剛度高、比吸能大，特別是可根據(jù)使用要求對其材料組分及結(jié)構(gòu)參數(shù)進行逆向設(shè)計，在某些輕量化要求較高的領(lǐng)域有望取代金屬管件。然而，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件在沖擊載荷作用下的吸能機制比較復(fù)雜。目前，其逆向設(shè)計過程仍需要借助大量試驗，通過改變基體和增強相材料種類及含量，或改變試件幾何尺寸、鋪層順序和加工工藝等方法，制作出大量試件，然后逐一進行沖擊試驗測試，再從中優(yōu)選。由于影響因素眾多，耗費巨大，周期長、效率低，且復(fù)合材料的性能對加工工藝、試驗條件等非常敏感‘3]，試驗的重復(fù)性較差，又進一步增加了試驗成本。因此，探索滿足工程要求的理論模型和模擬方法可以起到事半功倍的效果，并且能夠得到諸如裂紋擴展進程、失效部位應(yīng)力應(yīng)變響應(yīng)歷程等試驗研究無法獲得的數(shù)據(jù)。
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