汽车车身多材料复杂断面薄壁梁结构抗撞性理论模型研究

The section form of the thin-walled beam structure in the autobody is an important factor affecting the crashworthiness of the autobody. Thin-walled beam structure with complex section and multi-material can simultaneously meet the requirements of safety and lightweight for an automobile, and it becomes a future trend of autobody structure design. The theoretical model of the energy absorption of the thin-walled beam structure is that by analyzing and simplifying the structural deformation mechanism and damage pattern, and then the theoretical (analytical) expression of the relationship between mechanical properties and material, size and thickness can be obtained. The theoretical model of thin-walled beam structure can supports the forward design of the autobody structure with lightweight and high crashworthiness. Based on the crushing and bending mechanism theoretical model of the thin-walled structure with basic cross section, the project will establish the dynamic analysis model of variable thickness section, twelve-angle section, carbon fiber coating and foam aluminum filled section, derive the theoretical expression between the section parameters and the mechanical properties, establish tests to validate and correct the theoretical model and apply the expression on the autobody structure design to verify its effectiveness and lightweight through researching on the deformation mode and material constitutive relationship under different strain rate of the multi-material or complex forms thin-walled beam structure. The research results of the project on the one hand can enrich the theory of thin-walled beam structure, on the other hand promote the applications of multi-material and light material structure in the autobody design and provide significant methodological support for automotive lightweight.

汽车车身薄壁梁结构的断面形式是整车抗撞性的重要影响因素。复杂形状、多材料混合形式的薄壁梁结构能够兼顾汽车的安全性和轻量化要求，成为未来车身结构设计的发展趋势。薄壁梁吸能的理论模型是通过对结构变形机制和破损模式的分析和简化，得到其力学特性与截面材料、尺寸和厚度等关系的理论（解析）表达式。薄壁梁理论模型支持轻量化、高抗撞性能车身结构的正向设计。本项目在基本断面薄壁梁冲击压溃和弯曲变形力学特性的理论模型基础上，通过对多材料、复杂形式断面薄壁梁变形模式及不同应变率下材料本构关系的研究，建立变厚度矩形断面、十二直角断面、碳纤维包裹以及泡沫铝填充断面薄壁梁的动力学分析模型，推导断面参数和力学特性之间的理论表达式，用试验验证和修正理论模型，并在车身结构设计中验证其有效性和轻量化效果。项目成果丰富了薄壁梁吸能理论模型，同时也促进多（轻质）材料结构在汽车车身设计上的应用，为汽车整车轻量化提供有力的方法支持。

复杂形状、多材料混合薄壁结构兼顾汽车安全性与轻量化需求，是未来车身结构发展的趋势，分析和掌握多材料复杂结构的大变形吸能机理和变形机制，并建立吸能特性与断面形式、结构材料参数和加载条件之间定量关系是充分挖掘薄壁梁轻量化潜力的必然要求。项目在基本截面薄壁梁冲击压溃变形理论基础上，开展了多材料、复杂断面形式薄壁梁变形模式以及能量吸收特性的研究，分析了结构的吸能模式与动态变形过程。在复杂截面薄壁梁方面，考虑弧-平板单元的不同折叠模式对非圆柱部分膜能耗散的影响并将其简化为基本吸能单元的理论表达，建立了不同截面形式的方圆混合多胞截面薄壁梁平均压溃力数学表达；针对截面变厚度十二直角薄壁梁，分析了凹陷深度对变形模式的影响，推导了截面厚度变化区域的塑性铰线吸能表达，从而获得变厚度十二直角薄壁梁平均压溃力与结构参数之间的数学关系。在多材料混合薄壁梁方面，分析了纤维的铺层方式和缠绕角度对能量吸收能力的影响，推导考虑两种材料相互作用关系的拉伸膜力和塑性极限弯矩的理论表达式，建立起反对称铺层形式的CFRP/Al混合方管的平均压溃力与铺层角度的关系，并将其推广到提出的轴向变厚度CFRP/Al混合方管结构之中。基于建立的上述理论分析模型，提出了轴向变截面多胞薄壁梁设计方法，并将相关理论模型及设计方法应用于整车正向设计之中，准确地预测吸能盒改进前后的吸能性能，提高了整车正面碰撞波形性能；提出了变厚度薄壁梁在车身概念设计阶段应用方法以及CFRP/Al混合吸能盒快速改进设计及评价方法。项目成功建立了薄壁梁断面参数、材料参数同结构力学特性之间理论表达式，揭示了薄壁梁能量吸收机理，为具有优秀轻量化效果的薄壁梁结构在车身上的应用以及车身结构的正向设计提供理论与技术支持。