【摘 要】
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薄壁结构作为防撞吸能部件在汽车领域起着重要的作用。随着其对轻量化和安全性的要求逐渐提高,传统的金属薄壁结构已不满足轻量化的要求,而碳纤维增强复合材料（CFRP）拥有质量轻、吸能性强等特点,成为了增强金属结构的重要材料。由金属结构和碳纤维增强复合材料结构混合而成金属-复合材料结构,同时拥有了金属结构成本低、吸能稳定和复合材料结构质量轻、吸能性好的特点。为了进一步提升金属-碳纤维增强复合材料薄壁结构的
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薄壁结构作为防撞吸能部件在汽车领域起着重要的作用。随着其对轻量化和安全性的要求逐渐提高,传统的金属薄壁结构已不满足轻量化的要求,而碳纤维增强复合材料（CFRP）拥有质量轻、吸能性强等特点,成为了增强金属结构的重要材料。由金属结构和碳纤维增强复合材料结构混合而成金属-复合材料结构,同时拥有了金属结构成本低、吸能稳定和复合材料结构质量轻、吸能性好的特点。为了进一步提升金属-碳纤维增强复合材料薄壁结构的吸能性,诱导结构被广泛应用。目前,应用于混合薄壁结构上的诱导结构大部分为诱导槽或者倒角结构,关于诱导孔结构的应用情况很少。而在金属薄壁结构上,诱导孔结构已被证明能够有效地提升其吸能性和耐撞性。因此,关于诱导孔结构对金属-碳纤维增强复合材料薄壁结构的提升作用有重要的研究价值。本文使用铝-碳纤维复合材料混合薄壁管（Al-CFRP管）,利用试验和仿真研究了诱导孔的结构参数对Al-CFRP管耐撞性的影响。主要研究内容如下:（1）首先,制备了同样尺寸的纯Al管、纯CFRP管和Al-CFRP管,并在其上开设同样形式的诱导孔结构,通过准静态轴向压缩试验分析了不同形式薄壁管的吸能性和耐撞性及诱导孔对其吸能性和耐撞性的影响。结果表明,混合形式的Al-CFRP管的吸能性要高于纯Al管和纯CFRP管;同时,诱导孔结构能够进一步提升Al-CFRP管的耐撞性。这一结论为后续具体研究诱导孔的结构参数对Al-CFRP管耐撞性的影响提供了基础。（2）使用ABAQUS对未开孔和开孔Al-CFRP管进行建模,将仿真和试验取得的数据进行对比,确保了有限元模型的可靠性,为之后针对诱导孔参数的研究提供了基础。随后,采用单因素分析法,分析了单独改变诱导孔的排数、孔数或孔径时对Al-CFRP管变形模式和吸能性与耐撞性的影响。结果表明,单排孔时孔数和孔径分别对变形模式和初始峰值载荷（PCF）起到明显作用,多排孔时奇数孔的吸能总量（EA）比偶数孔的吸能总量高。因此,需要找到诱导孔结构参数的最优组合,尽可能地使PCF最小、EA最大。（3）基于单因素分析结果,选择诱导孔排数、孔数和孔径作为三个优化设计变量,并确定了优化设计变量的取值范围。然后,以EA值最大和PCF值最小为设计目标,先采用响应面法（RSM）分析了诱导孔参数之间的相互作用和诱导孔参数对开孔Al-CFRP管的EA值和PCF值的影响,然后采用非支配排序遗传算法（NSGA-II）寻找诱导孔结构参数的最优组合。结果表明,相比未开孔管,当诱导孔排数、孔数和孔径分别为1排、3个孔和5 mm孔径时,在不改变吸能的情况下PCF值降低了17.43%,压溃效率增加了20%,显著提高了Al-CFRP管的耐撞性。
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