碳纤维增强薄壁钢管的制备及其吸能性能研究

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随着能源、环保以及道路安全问题的日益严重,汽车轻量化和汽车安全越来越受到人们的重视。本文提出将碳纤维复合材料(CFRP,Carbon Fiber Reinforced Polymer)和钢结合起来,在钢管外层包覆CFRP材料,制作成碳纤维增强薄壁钢管(简称复合管)。将CFRP材料轻质高强的特点和钢材良好的变形方式结合起来,通过内部钢管渐进叠缩变形诱导外层CFRP材料变形,并运用准静态压溃实验研究其轴向载荷下的吸能性能。这种复合管属于汽车安全零部件的创新应用,可用于指导吸能盒的设计,同时顺应了汽车轻量化的议题。主要工作和结论如下:(1)进行了复合管各组分材料性能研究,得出以下结论:确定了 CFRP材料中的CFSR-A/B型环氧树脂体系工作温度、固化制度、玻璃化转变温度以及力学性能;测量了 CFRP材料平行于以及垂直于纤维方向的拉伸、压缩性能,抗拉强度分别为1218 MPa和64 MPa,抗压强度分别为884 MPa和84 MPa,发现CFRP材料具有明显的各向异性。(2)进行了胶黏剂(CFSR-A/B环氧树脂体系)界面粘结性能研究,得出以下结论:研究了钢板不同表面处理方法对于钢板与胶黏剂粘结性能的影响,包括砂纸打磨、酸洗、磷化、硅烷化处理,发现硅烷化处理后的钢板与胶黏剂粘结性能最好,粘结强度可以达到25.3 MPa;研究了温度对于粘结性能的影响,发现粘结强度在玻璃化转变温度附近达到峰值,为22.2 MPa;研究了 CFRP材料纤维层数和搭接长度对于粘结性能的影响,发现当纤维层数一定时,搭接长度越长,粘结极限载荷越高,超过有效搭接长度以后,载荷不再大幅增加;当搭接长度一定时,纤维层数越多,粘结极限载荷、强度增加。(3)进行了复合管轴向压溃吸能性能研究,得出以下结论:复合管发生欧拉弯曲变形的概率低于原始管,具有诱导渐进变形的作用。通过准静态轴向压溃实验,研究了纤维铺设角度θ、纤维层数、管件长径比、截面形状四个变量对于复合管吸能性能的影响:当θ为(0,90°)时,复合管总吸能相较于原始管提升了 1 02.6%,吸能效率提升了 64.1%,比吸能提升了 70.7%;复合管吸能效率随纤维层数增加而增加,但是比吸能在3层时达到峰值,为22.7 J/g;复合方管吸能效率的提升大于原始圆管;引入变厚度钢管,发现其吸能性能要优于等厚度钢管。同时制作了复合变厚度管,发现其相较于原始变厚度钢管吸能性能进一步提升,其中总吸能提升52.3%,吸能效率提升了 27.6%,比吸能提升了39.6%,高达 30.3 J/g。(4)改进并验证了复合管轴压理论模型,其中复合圆管理论模型结果与实验结果平均误差为6.7%,复合方管理论模型结果与实验结果平均误差为16.2%,具有一定的指导意义。
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