金属/CFRP混合材料薄壁结构碰撞吸能机制及可靠性优化设计方法研究

Metal/CFRP hybrid thin-walled structures, which combine low-density CFRP with low-cost metallic materials, exhibit considerable potential to provide better crashworthiness, lower weight and competitive material cost for automotive applications. Nevertheless, it can be seen that few studies had been performed on crushing behaviors of the hybrid structures consisted by metal and woven fabric CFRP (WF-CFRP). In this project, we prepare various aluminum/WF-CFRP hybrid structures with different configurations, and develope a numerical modeling approach for the hybrid structures to improve the prediction accuracy and calculation efficiency. Afterwards, the project numerically and experimentally investigates energy absorption mechanism of the aluminum/WF-CFRP hybrid structures, and the influences of various factors on crashworthiness are explored. Further, the project takes into account uncertainties of design variables, and develops a multi-objective and multi-case reliability-based design optimization mathematical model. The research results would be helpful to deal with some key science problems in the design of passive safety for automotive body. Additionally, it would also be important engineering value to further extend the applied ranges of metal/CFRP hybrid material systems.

金属/CFRP混合材料薄壁结构是由轻质、高强的碳纤维复合材料（CFRP）及低成本、高延展性的金属材料构成，该结构在提升汽车轻量化效果、碰撞安全性能及降低材料成本方面展示出极大的优势。目前，有关金属与层间力学性能更好的机织碳纤维复合材料（WF-CFRP）所组成的混合材料薄壁结构的研究相对较少，其碰撞吸能机制尚不明确，且缺乏高效的设计方法。本项目以铝/WF-CFRP混合材料薄壁结构为研究对象，提出一种高精度、高效率的有限元模型；采用实验和仿真相结合的方法，阐明结构在不同加载工况下的吸能机制，并讨论各因素对其耐撞性能的影响；充分考虑混合材料薄壁结构中设计变量的不确定性，建立多目标多工况可靠性优化数学模型，并进行求解算法研究。相关研究成果能够解决铝/WF-CFRP混合材料薄壁结构在车身被动安全性设计中的关键科学问题，对进一步拓展金属/CFRP混合材料的应用范围具有积极的科学意义和重要的工程价值。

采用轻质材料实现车身轻量化是提高能源利用率、减少环境污染、提高续航里程、提升汽车碰撞安全性能的最有效的途径之一。本项目以铝/WF-CFRP混合材料薄壁结构为研究对象，旨在研究其耐撞性能及能量吸收机制，并为其提供一套高效的多目标可靠性优化设计方法。首先，对WF-CFRP进行基础力学测试，获取拉伸、压缩、面内剪切以及断裂破坏能等性能参数，基于连续介质损伤力学理论，构建WF-CFRP的二维损伤本构模型，采用多层壳单元建模方法对铝/WF-CFRP混合材料薄壁结构进行建模，形成了一套高精度、高效率的WF-CFRP损伤本构模型及建模方法。随后，采用热压成形工艺制备了两种不同组分材料相对位置的铝/WF-CFRP混合材料薄壁结构，采用试验与仿真相结合的方法揭示其在不同加载速率下的能量吸收机制，并进一步分析加载角度、截面形状、组分材料配比、CFRP铺层角度等因素对耐撞性能的影响。结果表明，在铝管内部附着CFRP的铝/CFRP混合材料薄壁结构在不同加载速率下均表现出优异的耐撞性能。最后，采用优化拉丁方抽样方法获取实验样本，利用仿真方法获取样本处的响应，并构建多种代理模型，利用误差估计准则对各代理模型预测精度评估。基于精度可靠的代理模型进行铝/WF-CFRP混合材料薄壁结构耐撞性能可靠性优化设计。此外，对材料成本更低的铝/UD-CFRP混合材料薄壁结构进行耐撞性设计，实现了其耐撞性能的提升。相关研究成果能够解决金属/CFRP混合材料薄壁结构在车身轻量化以及被动安全概念设计阶段的关键科学问题，对进一步拓展金属/CFRP混合材料的应用范围具有积极的科学意义和重要的工程价值。