随着社会发展,人们的生活条件越来越好,为了出行方便越来越多的人购买汽车,而汽车事故如碰撞起火等安全性问题也随之增加,因此便要求研究人员要重点关注汽车碰撞安全问题。与此同时,环境污染和能源短缺等问题也越来越严重,而轻量化是减少消耗和降低排放的重要手段,汽车重量的减小能够有效的保护能源缓解能源危机并同时减少环境污染,对于可持续发展具有重要意义。使用具有优良吸能性能且密度较小的新型材料来设计一些新型结构能够有效的提高汽车安全性和实现汽车轻量化。复合材料因具有高比吸能和高比强度等优点而得到迅速发展,被广泛的应用于各个行业,在许多工程领域都发挥了重要作用,在某些部位使用复合材料代替传统金属材料,既能降低结构的重量还使结构的安全性能得到了保障。因此,对复合材料结构的耐撞性进行探究是学者们必须要进行的,在各式各样的复合材料中,碳纤维材料力学性能突出,在重量强度方面有不可比拟的优势,制作工艺较为简单能够轻松的制作出所需的结构,受到了广大厂商以及研究人员的青睐,是汽车轻量化材料中最有发展前景的。本文提出一种新型的厚度梯度碳纤维薄壁结构,在轴向方向分为3段,每段长度相等,厚度从小到大逐级增加,探究该结构的吸能性能并进行优化,研究内容如下:1)介绍课题背景,说明了汽车轻量化的意义和必要性,简述了薄壁材料的吸能特性,介绍了国内外的研究现状。简介了有限元理论以及有限元算法的相关知识。2)介绍了复合材料的特点性质,包括碳纤维材料优点以及力学失效准则,对比介绍碳纤维圆管与金属圆管沿轴向压缩的变形模式和失效机理。介绍了碳纤维产品的常见制作工艺以及本文样件的制作方法。3)对梯度碳纤维管和均厚碳纤维管进行准静态压缩试验,对比两种结构的压缩结果,分析厚度梯度碳纤维薄壁圆管的吸能特性。得出以下结论:在压缩过程中,碳纤维梯度管分层吸能,更充分有效。虽然均厚管吸收的总能量更高,但其质量也更大,最终比吸能反而小于梯度管。对比梯度管和均厚管的力位移曲线发现梯度管厚度逐级增加的特性使得其安全性能更高。4)为了减少实验成本并缩短研究时间,实验完成后利用Ls-dyna软件仿真模拟碳纤维厚度梯度薄壁圆管准静态压缩实验,在LS-DYNA中使用MAT-54材料,根据实验结果调整仿真材料参数,使仿真结果和实验结果较为近似,而后使用该参数进行碰撞仿真,证明该结构能够有效吸能。为了进一步探讨梯度管的失效机理,将梯度管第二段和第三段的厚度进行调换,对仿真结果分析发现调换位置后的梯度管对乘员有更好的保护作用。5)仿真参数调整完成后,以圆管的壁厚为设计变量,以吸能最大和质量最小作为优化目标,使用响应面模型进行优化设计寻找吸能更优的结构,优化计算完成后选取Pareto曲线上的一点与有限元仿真结果进行对比验证。