本文關(guān)鍵詞：面向車身應(yīng)用的LGFRP復(fù)合材料制備工藝及力學(xué)性能研究

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【摘要】：汽車輕量化是解決節(jié)能和環(huán)保問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料以其獨(dú)特的輕量化效果,應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)已成為汽車工業(yè)車身輕量化技術(shù)的重要趨勢。長玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯(LGFRP)復(fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性強(qiáng)、回收性好、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn),在汽車車身上的應(yīng)用范圍也越來越廣。然而,目前針對LGFRP復(fù)合材料熱模壓成型工藝參數(shù)交互作用、材料設(shè)計(jì)參數(shù)及應(yīng)變率效應(yīng)對其力學(xué)性能的影響規(guī)律和開孔后的應(yīng)力集中效應(yīng)以及在車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尚未見系統(tǒng)的研究及報(bào)道。本文以LGFRP復(fù)合材料在車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用為研究背景,采用實(shí)驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法,研究了LGFRP復(fù)合材料的制備工藝、力學(xué)性能、開孔連接性能,并進(jìn)一步探索了該材料用于電動(dòng)汽車電池包及防撞梁結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。具體研究內(nèi)容如下:(1)熱模壓成型工藝參數(shù)對LGFRP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律為探索熱模壓工藝參數(shù)對力學(xué)性能的影響規(guī)律并獲得最優(yōu)的力學(xué)性能。本文以LGFRP復(fù)合材料的拉伸及彎曲強(qiáng)度作為評價(jià)指標(biāo),研究了預(yù)熱溫度、預(yù)熱時(shí)間、壓力以及保壓時(shí)間四個(gè)工藝參數(shù)對評價(jià)指標(biāo)的影響規(guī)律,其中對拉伸強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率由大到小的順序排列為:預(yù)熱溫度、壓力、預(yù)熱時(shí)間、保壓時(shí)間。對彎曲強(qiáng)度的貢獻(xiàn)率由大到小的順序排列為:壓力、預(yù)熱溫度、保壓時(shí)間、預(yù)熱時(shí)間。當(dāng)預(yù)熱溫度為215.5℃,預(yù)熱時(shí)間為16min,壓力為3.8MPa,保壓時(shí)間為3min時(shí),LGFRP復(fù)合材料的拉伸及彎曲強(qiáng)度值達(dá)到最優(yōu)值。(2)纖維含量及應(yīng)變率對LGFRP復(fù)合材料力學(xué)性能的影響規(guī)律汽車車身不同結(jié)構(gòu)及部位對加載條件與力學(xué)性能需求具有明顯的差異性,論文針對LGFRP復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性強(qiáng)的特征,通過實(shí)驗(yàn)研究了纖維含量對LGFRP復(fù)合材料力學(xué)性能及失效模式的影響規(guī)律。并基于混合定律建立了可以準(zhǔn)確計(jì)算或預(yù)測不同纖維含量下LGFRP復(fù)合材料力學(xué)性能的細(xì)觀力學(xué)模型。進(jìn)而詳細(xì)研究了LGFRP復(fù)合材料力學(xué)性能分散性及相應(yīng)的應(yīng)變速率效應(yīng)。(3)LGFRP復(fù)合材料的開孔應(yīng)力集中效應(yīng)及失效模式研究考慮到在汽車結(jié)構(gòu)應(yīng)用中的開孔連接問題,本文對LGFRP復(fù)合材料開展了開孔應(yīng)力集中效應(yīng)的研究。結(jié)合數(shù)字圖像相關(guān)技術(shù)(DIC),對開孔LGFRP復(fù)合材料進(jìn)行了力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究,其結(jié)果表明應(yīng)力集中的影響區(qū)域4倍于開孔半徑。應(yīng)力集中系數(shù)隨孔徑的增加而增大,且小于同等條件下的金屬材料的應(yīng)力集中系數(shù)。進(jìn)一步建立了包含損傷系數(shù)和開孔孔徑的LGFRP復(fù)合材料孔邊應(yīng)力理論模型與數(shù)值分析方法,可以進(jìn)一步用來研究不同纖維長度及含量的LGFRP復(fù)合材料開孔應(yīng)力集中特性,為LGFRP復(fù)合材料開孔連接設(shè)計(jì)及安全評估提供設(shè)計(jì)依據(jù)。(4)LGFRP復(fù)合材料在汽車結(jié)構(gòu)應(yīng)用的研究基于上述材料基礎(chǔ)性能研究,本文進(jìn)一步開展了LGFRP復(fù)合材料電動(dòng)汽車電池包及防撞梁的設(shè)計(jì)。在滿足不同約束及法規(guī)要求下,LGFRP復(fù)合材料電池包比金屬電池包減重約80%,LGFRP復(fù)合材料防撞梁比金屬防撞梁減輕11.2%,因而具有較好的應(yīng)用前景。
【學(xué)位授予單位】：湖南大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：U465.6;TB332

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本文編號：1263502