不同铺层碳纤复材圆台管件的能量吸收特性及连接测试

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碳纤维复合材料由于其质量轻且能量吸收性能好,被用来考虑替代金属材料运用到汽车的能量吸收部件,在汽车发生碰撞时吸收能量保护车辆和乘客的安全。但是,目前复合材料还存在一些亟待解决的技术问题,例如制备成型方法和连接应用等。本课题是采用碳纤维预浸料铺层制作的管件对能量吸收性能进行研究,探究不同铺层和不同半顶角对碳纤维复合材料圆台型管件能量吸收性能的影响,以及其与金属配件连接的问题。首先本文设计了(901/06)s、(902/05)s、(903/04)s三种内外层均为90°纤维中间层均为0°纤维的对称铺层方式,以及半顶角分别为0°、5°、10°的圆台型管件(其中0°半顶角即为圆筒型)。为了更好地对照研究分析,首先对0°半顶角的圆台型管件进行铺层和80h及160h两个时长的100℃热老化处理,分析铺层对0°半顶角圆台型管件能量吸收性能的影响,以及不同时长的热老化处理对该碳纤维预浸料制作的管件吸能性的影响。实验结果表明:铺层方式对0°半顶角圆台型管件的能量吸收性能有影响,(901/06)s和(902/05)s这两种铺层方式的管件的比吸能值(单位质量的吸能大小,单位k J/kg)和破坏模式相差不大,但是(903/04)s铺层方式的管件与其他两种铺层的破坏模式有所差别且其比吸能值比前两种铺层方式的管件低了约16%;对于本文中使用的碳纤维预浸料制作的管件,其能量吸收性能在100℃高温处理下会产生影响,在高温处理80和160小时后的吸能效率比未高温处理试样增高了约17%。其次,进一步对比(901/06)s、(902/05)s、(903/04)s这三种铺层方式的5°和10°半顶角的圆台型管件与0°半顶角管件的差异,分析不同铺层和不同半顶角结构对管件能量吸收性能的影响。实验结果表明:对于同种铺层方式的不同半顶角圆台型管件,虽然由于半顶角形状结构的改变导致外观破坏形态看起来有差异,但是其破坏模式是相似的,且吸能效率并没有明显的差异;而另一方面,与圆筒型一样,同种半顶角形状的不同铺层方式的管件之间存在差异,且均为(901/06)s和(902/05)s铺层方式的吸能效率高于(903/04)s铺层方式。最后,对不同铺层方式的0°半顶角圆台型管件进行开孔,将开孔试样进行准静态压缩测试,对比未开孔的试样,分析开孔对管件能量吸收性能的影响,且对开孔试样与设计好的金属圆筒型卡槽进行销钉连接和压缩测试并观察其破坏过程。实验结果表明:三种铺层方式的0°半顶角管件开孔试样与未开孔试样的吸能效率并没有明显的差异,且孔也没有发生明显的破坏现象;虽然由于销钉与孔的接触挤压导致悬空式连接件的管件发生内部破坏且无法使其实现有效的能量吸收,但非悬空连接件并没有降低碳纤复材管件的吸能性,且孔边也没有发生明显的受力破坏,初步确定该连接方式的可行性。
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