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在“中国制造2025”国家战略背景下,汽车被归类为十大“大力推动重点领域突破发展”之一,汽车轻量化成为全球汽车发展的重要趋势。材料更换是汽车轻量化的重要途径之一,其中碳纤维复合材料因其优异的材料性能而被广泛应用于汽车车身及各部件。然而,碳纤维复合材料具有相对复杂的空间结构并且组成成分性能差异较大,其力学行为较为复杂和性能预测难度较大。碳纤维复合材料特性参数的获取,对该材料及其应用开展理论和数值研究具有重要的理论意义和实际价值。结构设计是碳纤维材料设计的关键,尤其碳纤维复合材料的铺层顺序对材料特性的影响较大,则对其铺层顺序开展优化设计研究具有重要的工程实际意义。因此,本文基于上述问题开展并完成的主要工作如下:1. 针对碳纤维复合材料T700/E44,开展了准静态力学性能试验。对0°和90°的单向板、[0°/90°/±45°/90°/0°]_s复合板进行了单轴拉伸和单轴压缩试验,有效获取了材料的拉伸强度、弹性模量、泊松比和压缩强度等参数,并对材料试样破坏形态进行了分析。2. 基于T700/E44多工况试验,发展了一种分阶段的快速识别碳纤维复合材料特性参数的计算反求方法。首先,基于各种试验建立相应的正问题模型,并通过敏感性分析确立各阶段的待反求参数。其次,为了提高计算效率,采用径向基近似模型替代真实数值计算,建立了参数识别反问题模型,并利用隔代遗传算法求解并获取了碳纤维复合材料特性参数。最后,反求参数应用于单向板材料的数值计算中,并与试验结果进行对比,结果表明该材料参数反求方法能有效快速获取复合材料特性参数。3. 利用遗传算法开展了层合板结构的铺层角度顺序优化研究。首先,基于特性参数反求结果,建立层合板拉伸试验模型。其次,建立铺层角度顺序优化的数学模型,确定约束条件,选择合适的遗传算法控制参数,获取了两种优选铺层顺序。最后,对优选铺层与常规铺层开展单轴压缩和三点弯曲数值模拟,分析结果表明优选的铺层力学性能明显优于常规铺层。4. 建立了常规铺层和两种优选铺层的碳纤维薄壁圆管试件在横向压缩冲击下的数值模型,获取了在动态载荷下铺层的载荷时间历程、应力、能量吸收和破坏形态。结果表明,结构铺层为[0°/90°/0°/0°/±45°/±45°]_s碳纤维复合材料的性能综合最佳。同时,开展了最佳铺层材料的霍普金森压杆试验,并与仿真进行对比,试验结果与仿真结果基本吻合。