復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁壓潰特性分析方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種汽車被動安全性研究領(lǐng)域的分析方法，更確切地說，本發(fā)明涉及 一種復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁壓潰特性分析方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 薄壁梁結(jié)構(gòu)是汽車、船舶、航空和航天等領(lǐng)域常見的吸能部件，其軸向壓潰變形穩(wěn) 定、吸能顯著，是抗撞性研究的重要課題?，F(xiàn)階段薄壁梁的抗撞性設(shè)計通常采用實驗和有限 元分析相結(jié)合的方法。即采用大變形非線性有限元軟件進行仿真計算及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，并 最終通過實驗進行驗證。但在設(shè)計早期由于方案的頻繁更換，使得有限元計算相當耗時。相 對地，動力學方法（或宏單元法）通過建立結(jié)構(gòu)變形機制的簡化理論模型并進行吸能機制 分析，利用理論研究所得的壓潰反力表達式，可在結(jié)構(gòu)斷面詳細設(shè)計之前快速選擇滿足抗 撞性和輕量化要求的薄壁梁材料、尺寸等參數(shù)，相比于有限元計算及實驗，理論公式從本質(zhì) 上揭示出了薄壁梁的抗撞性能與其材料尺寸參數(shù)之間的力學關(guān)系，可實現(xiàn)對薄壁梁結(jié)構(gòu)的 正向設(shè)計，大大減少了有限元試錯及實驗的次數(shù)，縮短了設(shè)計開發(fā)周期。
[0003] 近年來，愈發(fā)嚴苛的法規(guī)約束與消費者日益增強的安全觀念對汽車抗撞性提出了 更高的碰撞性能與輕量化的要求，多直角截面薄壁梁（截面均由直角組成且直角數(shù)大于4) 由于其更高的比吸能且具有較明顯的輕量化效果而被廣泛關(guān)注，具有較好對稱性的"啞鈴 型"十二直角截面形式多用于復(fù)合材料車身結(jié)構(gòu)中的上縱梁和前縱梁等典型車身薄壁梁安 全構(gòu)件中。
[0004] 另一方面，比吸能高于金屬的復(fù)合材料也被應(yīng)用到薄壁梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計當中，相較 于傳統(tǒng)的金屬薄壁梁在軸向壓潰過程中通過管壁的漸進屈曲和局部彎曲的吸能機制，纖維 或環(huán)氧樹脂復(fù)合材料往往與金屬薄壁梁件結(jié)合應(yīng)用以增加吸能效率。采用此類復(fù)合材料包 裹的薄壁梁結(jié)構(gòu)通過纖維斷裂和基體破碎、纖維和基體的撕裂以及鋪層時內(nèi)外層的分離等 所產(chǎn)生的失效機制來吸收碰撞能量，并對金屬構(gòu)件產(chǎn)生約束作用，使相同質(zhì)量的金屬吸收 更多的能量，達到輕量化的效果。
[0005] 表征薄壁梁在軸向載荷作用下能量吸收能力的重要參數(shù)一般采用平均壓潰反力 與壓潰反力第一峰值力。壓潰反力第一峰值力的大小表示碰撞對象所經(jīng)歷的最大減速度， 理想的壓潰反力峰值力應(yīng)當接近平均壓潰反力，在實際設(shè)計生產(chǎn)中往往通過觸發(fā)或誘導機 構(gòu)來降低峰值力水平，使其接近平均壓潰反力。因此，本發(fā)明所述的分析方法中選取平均壓 潰反力來表征所述的薄壁梁的壓潰特性。
[0006] 通過國內(nèi)外相關(guān)文獻檢索，未發(fā)現(xiàn)有類似纖維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面 薄壁梁壓潰特性分析方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是克服了車身抗撞性概念設(shè)計階段由于缺乏詳細結(jié) 構(gòu)的幾何模型而無法使用有限元方法或試驗方法進行薄壁梁壓潰性能分析的問題，提供了 一種復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁壓潰特性分析方法。
[0008] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的：所述的復(fù)合材料包裹 的十二直角截面薄壁梁壓潰特性分析方法的步驟如下：
[0009] 1)推導無復(fù)合材料包裹的中空十二直角薄壁梁平均壓潰反力P12表達式：
[0010] , (14)
[0011] 式中：1為薄壁梁截面周長，單位為mm，h為薄壁梁壁厚，單位為mm，M。為單位長度 塑性極限彎矩，單位為N;
[0012] 2)簡化纖維增強復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線；
[0013] 所述的分析方法中只選取纖維方向沿金屬薄壁梁周向即纖維方向與金屬薄壁梁 軸向夾角90度包裹的薄壁梁作為研究對象；通過材料試驗獲得E玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂玻 璃纖維增強復(fù)合材料應(yīng)力應(yīng)變曲線并將其簡化；即該纖維增強復(fù)合材料在拉伸狀態(tài)下應(yīng)力 應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)為線性，直到拉斷為止；在壓縮時，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系表現(xiàn)接近塑性金屬材料，即 在屈服之后應(yīng)力維持某一水平不變；
[0014] 3)計算纖維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁的塑性極限彎矩和極限屈 服膜應(yīng)力；
[0015] (1)塑性極限彎矩M。'的表達式為：
[0016] ,. (17)
[0017]
[0018] (18)
[0019] (2)極限屈服膜應(yīng)力表示為：
[0020] N〇' =〇nhn+Ycthc (21)
[0021] 式中：為金屬材料的屈服應(yīng)力，ζ。為復(fù)合材料的垂直纖維方向的壓縮屈服應(yīng) 力，單位均為MPa 為金屬薄壁梁的厚度，h。為復(fù)合材料管壁的厚度，單位均為mm ;Υ。,為 復(fù)合材料等效拉應(yīng)力，單位為Mpa ;
[0022] 4)修正纖維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁的有效壓潰距離δ:和 最終折疊角度α/ ;
[0023] 維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁的超折疊單元的有效壓潰距離δrf' 表示為：
[0024] δ e，f= δ ef ε d= 2Η*0· 73* ε d= 1. 46H ε d (23)
[0025] 纖維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁的超折疊單元的最終折疊角度應(yīng) 為，
[0026] a / = arccos (1- ε d) (25)
[0027] 式中：δ為無復(fù)合材料包裹的中空十二直角薄壁梁的超折疊單元的有效壓潰距 離，Η為折疊半波長，單位為mm，εd為纖維增強復(fù)合材料周向鋪設(shè)時影響金屬薄壁梁壓潰 距離的壓實應(yīng)變；
[0028] 5)推導纖維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁平均壓潰反力解析表達 式；
[0029] 當m= 12時即為纖維增強復(fù)合材料包裹的十二直角截面薄壁梁平均壓潰反力 Pi2r ：
[0030]
-- (33)
[0031] 式中：Η為折疊半波長，單位為mnbEi'為環(huán)形面變形耗散能量，E2'為沿固定塑性 絞線的彎曲變形耗散能量，E3'為傾斜絞線的變形耗散能量，單位為N· _。
[0032] 技術(shù)方案中所述的推導無復(fù)合材料包裹的中空十二直角薄壁梁平均壓潰反力解 析表達式的步驟如下：
[0033] 十二直角截面薄壁梁發(fā)生壓潰失效變形中的重復(fù)折疊模式簡化為超折疊單元；每 個超折疊單元的塑性變形可簡化為五種能量耗散機制：1.環(huán)形面變形耗散能量E1;2.沿 固定塑性絞線的彎曲變形耗散能量E2;3.傾斜絞線的變形耗散能量E3;4.錐形面的擴展； 5.錐形面的彎曲；在所述的壓潰特性中，超折疊單元的變形機制完全由準靜態(tài)非拉伸模式 控制，因此只包括前三種能量耗散機制，其吸能量分別用ΕρE2、匕來表示；
[0034] 1)環(huán)形面變形耗散能量EiS:
[0035] E1=4N〇bHI1 (1)
[0036]N。為超折疊單元周向拉伸出現(xiàn)屈服時的極限屈服膜應(yīng)力，NQ=ζQXh。〇。為等效 流動應(yīng)力，由式（2)和式（3)求出，ζ^和εu分別為材料的極限應(yīng)力和應(yīng)變，η為材料的 硬化因子；h為薄壁梁壁厚；b為環(huán)形面彎曲半徑；Η為折疊半波長；L如式4所示，2Ψ。為 沿管軸觀察的兩塊相鄰板之間的夾角；α為折疊角度且af為最終折疊角度，β是α的函 數(shù)，β=arctg{tga/sinWj；
[0040] 2)沿固定塑性絞線的彎曲變形耗散能量E2為：
[0041 ] E2=4 a fM〇c (5)
[0042] 其中：Μ。為單位長度塑性極限彎矩，11。= 〇。1!2/4,單位為N;c為超折疊單元兩翼 邊長之和；
[0043] 3)傾斜絞線的變形耗散能量^為：
[0045] 其中，13表達式為：
[0044] (c 、 I0 )
[0046]
m
[0047] 4)在實際壓潰過程中，超折疊單元的有效壓潰距離δef要小于其壓潰折疊長度d， 且d= 2H，且二者關(guān)系為：
[0048] δef/d=δef/2H= 0. 73 (8)
[0049] 所以，單個超折疊單元在軸向壓潰過程中，其平均壓潰反力Ps所做的功為： _
(9)
[0051] 5)當薄壁梁的截面由m個直角組成時，將其分解為m個中心角為直角的超折疊單 元，壓潰過程中會出現(xiàn)m個環(huán)形面拉伸和m個傾斜固定絞線，當薄壁梁截面周長為1時，m個 超折疊單元沿固定塑性鉸線彎曲耗散的總能量mE2= 4α抑。1，由此得出m個直角截面的薄 壁梁軸向壓潰時平均壓潰反力所做的功為：
[0052] (10)
[0053] (11)
[0054] 由于超折疊單元的中心角為直角，屯。=π/4;且單元在準靜態(tài)非拉伸模式下變 形，af=π/2;進而計算出IJPI3;此外，根據(jù)能量最小原