[发明专利]复合材料反对称包裹方管压溃特性分析方法

说明书

本发明属于汽车被动安全性研究领域，具体涉及一种复合材料反对称包裹方管压溃特性分析方法。包括以下步骤：1、结构描述与坐标定义；2、计算复合材料的极限应力与弹性模量；3、计算屈服膜力与单位长度塑性极限弯矩；4、计算复合材料反对称包裹方管中超折叠单元耗散的能量；5、计算最终有效压溃距离与最终折叠角度；6、计算平均压溃力。本发明考虑铺层角度对性能影响，得到了单位长度塑性极限弯矩与屈服膜力的理论表达式。本发明推导了复合材料反对称包裹方管的平均压溃力解析表达式，得到结构参数与压溃性能的关系。利用本发明所述的复合材料反对称包裹方管压溃特性分析方法，可以快速地进行正向设计，减少仿真与实验次数，降低设计成本。

技术领域

本发明属于汽车被动安全性研究领域，具体涉及一种复合材料反对称包裹方管压溃特性分析方法。

背景技术

薄壁梁结构广泛应用于汽车、航空航天和船舶等工业领域，是常见的承载和吸能部件，其轴向变形稳定，能够高效地吸收冲击过程中的动能，薄壁梁的研究与设计是抗撞性研究与轻量化设计中的重要课题。

在进行薄壁梁的抗撞性设计时，通常是将实验法与有限元分析方法相结合，通过在大变形有限元分析软件中建立有限元模型，并将分析的结果与实验进行对比以证明模型的有效性。此方法需要频繁地改变设计结构与参数以获得理想的设计结构。动力学方法通过分析薄壁梁的变形特点推导压溃载荷下的平均作用力的表达式，说明了压溃过程中的变形机理，从本质上揭示了薄壁梁的能量吸收性能与结构参数之间的关系，为薄壁梁结构设计与参数设计指明方向。同时，在薄壁梁结构设计初期，根据理论表达式初步估算结构性能，快速地选择合适的材料与结构参数，降低了设计成本，减少了试错次数，缩短了设计周期。

随着人类的生活日益改善，能源短缺问题越来越突出，产品的轻量化设计已经成为重要的研究课题。复合材料由较高的比强度与比模量的特性能够在保证抗撞吸能基本不变的前提下达到轻量化效果，因此受到广泛的关注。

当薄壁梁结构在轴向载荷作用下发生大变形时，材料首先由弹性阶段进入塑性阶段，出现第一个峰值力之后压溃力迅速下降，压溃过程中的第一个褶皱形成，之后作用力在平均压溃力附近上下波动。因此平均压溃力是评价薄壁梁抗撞性能的重要指标。

通过国内外相关文献检索，未发现有类似复合材料反对称包裹方管的理论分析方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服了车身抗撞性概念设计阶段由于缺乏详细结构的几何模型而无法使用有限元方法或试验方法进行薄壁梁压溃性能分析的问题，提供了一种复合材料反对称包裹方管薄壁梁压溃特性分析方法。

为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：

一种复合材料反对称包裹方管压溃特性分析方法，包括以下步骤：

步骤一：结构描述与坐标定义；

步骤二：计算复合材料的极限应力与弹性模量；

步骤三：计算屈服膜力与单位长度塑性极限弯矩；

步骤四：计算复合材料反对称包裹方管中超折叠单元耗散的能量；

步骤五：计算最终有效压溃距离与最终折叠角度；

步骤六：计算平均压溃力。

步骤一中所述的结构，是复合材料反对称包裹的方管，即在金属方管外部包裹复合材料，其中复合材料单层厚度相等，复合材料的纤维方向与方管棱线的夹角大小相等，正负符号相反；

所述的坐标定义，是指水平塑性铰DA、BC分别为x、y轴，倾斜铰BL为z轴，且随着单元变形三个坐标轴不断变化。

步骤二中所述计算复合材料极限应力与弹性模量，具体步骤如下：

步骤1：