FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊設(shè)計及優(yōu)化-畢業(yè)論文

1、哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊設(shè)計及優(yōu)化摘 要FSAE大學(xué)生方程式大賽旨在由各大學(xué)車隊的本科生和研究生策劃、設(shè)計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽。為了更好的保護(hù)賽車手，賽事規(guī)則要求方程式賽車的前部必須安裝緩沖吸能模塊。緩沖吸能模塊的作用是保證賽車在碰撞的過程中，有足夠的安全減速距離，并盡可能多的吸收碰撞能量，防止破壞賽車的主體結(jié)構(gòu)和傷害賽車手。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、比吸能好、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛地應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑建材等領(lǐng)域。大量的研究表明，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過合理的設(shè)計具有可控制的破壞模式，較平穩(wěn)的壓縮載荷，是優(yōu)異的緩沖吸能元件。本課題

2、通過使用ANSYSLS-DYNA建立復(fù)合材料破壞有限元仿真模型，對比分析不同因素對復(fù)合材料緩沖吸能特性的影響，并通過設(shè)計環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料防撞模塊，模擬動態(tài)落錘試驗，對分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用。并針對吸能特性和輕量化對吸能模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少設(shè)計、試制過程中消耗浪費(fèi)，縮短開發(fā)時間。關(guān)鍵詞：FSAE；復(fù)合材料；ANSYSLS-DYNA；有限元仿真； FSAE Composite Energy Absorbing Design and OptimizationAbstractFSAE Formula Student competition aimed by the universitys underg

3、raduate and graduate fleet planning, design, manufacture a small Formula One racing and race. In order to better protect the racers, race rules require that the front of the Formula One racing must install energy-absorbing buffer module. Energy Absorbing modules role is to ensure that the car in the

4、 collision process, there is enough security deceleration distance and absorb collision energy as much as possible to prevent damage to the main structure of the car and injuries racer.Composites have high specific strength, high specific stiffness, can be better than suction, easy to design, etc.,

5、have been widely used in aerospace, transportation, building materials and other fields. Numerous studies show that the composite material structure has been designed with a reasonable failure mode can be controlled, more stable compressive load, is an excellent energy-absorbing buffer components.Th

6、is topic by using ANSYS / LS-DYNA to build composite damage FEM model, comparative analysis of different factors on composite cushioning the impact energy absorption characteristics, and through the design of a carbon fiber epoxy composite bumper module to simulate the dynamic drop hammer test, the

7、results of the analysis applications. And for the absorption of the energy absorption characteristics and lightweight module structure optimization, reducing design, wasteful consumption of the trial process and shorten development time.Key Words：FSAE; Composite materials; ANSYS / LS - DYNA; Finite

8、element simulation.目錄摘 要IAbstractII第 1 章 緒論11.1 本課題研究的目的和意義11.1.1 復(fù)合材料吸能原理簡介11.1.2 復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)的實用價值21.1.3 研究的目的和意義31.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述41.3 本文主要研究內(nèi)容4第 2 章 復(fù)合材料破壞吸能有限元模型62.1 簡介62.2 復(fù)合材料破壞吸能模型62.2.1層內(nèi)損傷模型62.2.2分層損傷模型72.2.3數(shù)值模擬實現(xiàn)方法82.3 ANSYS/LS-DYNA簡介82.3.1 ANSYS/LS-DYNA的發(fā)展歷史82.3.2 顯示動力學(xué)分析的特點(diǎn)92.4有限元模型102.4.1單元類型

9、選擇102.4.2 材料模型的選擇112.5 本章小結(jié)13第 3 章 復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素的分析143.1 復(fù)合材料元件緩沖吸能性能影響因素143.2 標(biāo)準(zhǔn)原件模型143.2分析模型153.3材料對吸能性能的影響183.4鋪層方向?qū)ξ艿挠绊?03.4.1 15復(fù)合材料試件壓潰過程分析213.4.2 45復(fù)合材料試件壓潰過程分析223.4.3 75復(fù)合材料試件壓潰過程分析243.4.5鋪層方向?qū)ξ艿挠绊懙目偨Y(jié)253.5引發(fā)形式對吸能的影響253.5.1引發(fā)方式的意義和作用253.5.2圓角結(jié)構(gòu)對吸能的影響263.5.3局部減少鋪層對吸能的影響283.6 本章小結(jié)30第 4 章

10、FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊設(shè)計及分析314.1 FSAE對于緩沖吸能模塊的要求314.2 FSAE緩沖吸能模塊總體設(shè)計方案314.2.1材料選擇324.2.2 鋪層選擇324.2.3 引發(fā)方式的選擇324.3建立有限元分析模型334.4結(jié)果分析354.5本章小結(jié)37結(jié)論38致 謝39參考文獻(xiàn)40- IV -哈爾濱工業(yè)大學(xué)本科畢業(yè)論文（設(shè)計）第 1 章 緒論1.1 本課題研究的目的和意義復(fù)合材料具有比強(qiáng)度高、比剛度大、比吸能好、可設(shè)計性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，己廣泛地應(yīng)用于航空航天、交通運(yùn)輸、建筑建材等領(lǐng)域。例如碳纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料是典型的脆性材料，在發(fā)生斷裂之前通常表現(xiàn)為線彈性，而沒有塑性屈服階段。這

11、使得復(fù)合材料對沖擊損傷很敏感。但是，如果能合理地設(shè)計并引導(dǎo)破壞進(jìn)程，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)就能夠以可控的方式吸收大量的沖擊能量。大量的研究表明，復(fù)合材料結(jié)構(gòu)經(jīng)過合理的設(shè)計具有可控制的破壞模式，較平穩(wěn)的壓縮載荷，是優(yōu)異的緩沖吸能元件1。FSAE大學(xué)生方程式大賽旨在由各大學(xué)車隊的本科生和研究生策劃、設(shè)計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽。為了更好的保護(hù)賽車手，賽事規(guī)則要求方程式賽車的前部必須安裝吸能器。吸能器的作用是保證賽車在碰撞的過程中，有足夠的安全減速距離，并盡可能多的吸收碰撞能量，防止破壞賽車的主體結(jié)構(gòu)和傷害賽車手，SAE. Formula SAE Rules規(guī)定：安裝了吸能器的總質(zhì)量為300kg的賽

12、車以7m/s的速度正面碰撞剛性墻，其平均碰撞加速度不得超過200m/s2(20g，其中g(shù)10m/s2)，峰值加速度不超過400m/s22。本文將應(yīng)用復(fù)合材料設(shè)計FSAE大學(xué)生方程式緩沖吸能模塊，在有效保證賽車在碰撞的過程中盡可能多的吸收碰撞能量的同時，改善傳統(tǒng)材料緩沖吸能模塊質(zhì)量較大，加工困難，成本高等問題。1.1.1 復(fù)合材料吸能原理簡介復(fù)合材料對稱元件在軸向載荷和沖擊載荷作用下發(fā)生多種形式的損傷破壞吸收能量，從宏觀看載荷-位移曲線是一條連續(xù)的曲線，根據(jù)元件后續(xù)壓潰階段的載荷-位移曲線，可以將宏觀壓潰過程分成3類：a-持續(xù)壓潰模式：其載荷位移曲線如圖3(a)所示，從圖中可見元件在位移1處載荷

13、達(dá)到最大值Pmax，此時元件局部出現(xiàn)失效破壞。將Pmax稱為元件的峰值載荷，峰值載荷是元件緩沖吸能的一個重要參數(shù)，峰值載荷過大，元件就不易發(fā)生初始破壞，峰值載荷過小，元件的靜強(qiáng)度不夠。元件在后續(xù)壓潰階段載荷值呈現(xiàn)一定的規(guī)律性，即AB段載荷隨位移增加而增加，達(dá)到B點(diǎn)時載荷足以使材料重新開裂、分層乃至破壞，此時由于元件破壞導(dǎo)致軸向尺寸變小，使實際承受的載荷減小，當(dāng)?shù)竭_(dá)C點(diǎn)時，破壞過程停止，載荷又逐漸增大，直至材料繼續(xù)出現(xiàn)破壞，如此周期性重復(fù)。在此過程中載荷在Pav的上下波動，將Pav稱為持續(xù)壓潰載荷，Pav和壓潰位移的乘積就是元件所吸收的能量(破壞前的彈性變形階段吸收的能量非常少)。由于結(jié)構(gòu)的限制

14、，壓潰位移不可能過大，因此提高元件的緩沖吸能特性必須降低峰值載荷和提高持續(xù)壓潰載荷。b-崩潰壓潰模式:其載荷位移曲線如圖1-1(b)所示。從圖中可見，元件達(dá)到峰值載荷后，載荷急速下降至0或非常小，元件出現(xiàn)整體失穩(wěn)，幾乎不能吸收什么能量。c-混合壓潰模式:其載荷位移曲線如圖1-1（c）所示，載荷在達(dá)到峰值后亦呈現(xiàn)波動狀態(tài)，但其總體趨勢下降，元件依然能吸收部分能量，這與元件在壓潰階段的宏觀破壞形式有關(guān)，如在壓潰過程中出現(xiàn)整體失穩(wěn)。圖1-1 三種典型壓潰模式上面從宏觀上對復(fù)合材料薄壁元件的后續(xù)壓潰階段進(jìn)行了分類，持續(xù)壓潰模式可以吸收大量的能量，是設(shè)計人員需要的理想模式3。1.1.2 復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)

15、的實用價值與傳統(tǒng)材料相比，復(fù)合材料在性能上有下述幾個優(yōu)點(diǎn)49：(l) 比強(qiáng)度、比模量大用比強(qiáng)度和比模量這一概念能夠很好地說明復(fù)合材料在“輕質(zhì)高強(qiáng)”方面的優(yōu)越性。例如碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料的比強(qiáng)度比鋼高5倍，比鋁合金高4倍，比欽合金高3-5倍，比模量是鋼、鋁、欽的4倍。復(fù)合材料史上的一個成功范例是20世紀(jì)60年代初的“北極星”A-3導(dǎo)彈發(fā)動機(jī)玻璃鋼殼體，比“北極星”A-1的合金鋼質(zhì)量減小了60%，成本降低了“66%。此后，采用Keviar-49(芳綸)、IM-7(碳纖維)/環(huán)氧先進(jìn)復(fù)合材料作為發(fā)動機(jī)殼體，取得了更加顯著的減重效果。(2) 耐疲勞性能好復(fù)合材料比金屬材料有較高的耐疲勞特性。通常

16、金屬材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的30%-50%，而碳纖維增強(qiáng)聚合物基復(fù)合材料的疲勞強(qiáng)度極限是其拉伸強(qiáng)度的70%-80%。因此用復(fù)合材料制成在長期交變荷載條件下工作的構(gòu)件，具有較長的使用壽命和較大的破損安全性。(3) 阻尼減震性好受力結(jié)構(gòu)的自振頻率除與形狀有關(guān)外，還同結(jié)構(gòu)材料的比模量平方根成正比，所以復(fù)合材料有較高的自振頻率。同時復(fù)合材料的基體纖維界面有較大的吸收振動能量的能力，致使材料的振動阻尼較高。(4) 破損安全性高復(fù)合材料的破壞不像傳統(tǒng)材料那樣突然發(fā)生，而是經(jīng)歷基體損傷、開裂、界面脫粘、纖維斷裂等一系列過程。當(dāng)少數(shù)增強(qiáng)纖維發(fā)生斷裂時，載荷又會通過基體的傳遞迅速發(fā)散到其它完好的纖維上去

17、，從而遲滯了災(zāi)難性破壞突然發(fā)生的情況。當(dāng)然，復(fù)合材料作為一種新材料，尚有許多不如意的地方。譬如復(fù)合材料很可能出現(xiàn)脫層現(xiàn)象，尤其是在海洋這種交變載荷的環(huán)境下這種情況顯得尤為突出。另外，在船舶、汽車領(lǐng)域，考慮到制造成本問題，要想實現(xiàn)復(fù)合材料整體制造還有很長的路要走。但它畢竟是一項超越傳統(tǒng)材料的新型材料。正由于它具備了一系列傳統(tǒng)材料所不具備的優(yōu)點(diǎn)，例如維護(hù)成本低和抗損傷性能優(yōu)異，因而在國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)各領(lǐng)域，首先在航空與航天相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。尤其是跨入20世紀(jì)90年代以來，復(fù)合材料技術(shù)受到各方面的重視，其發(fā)展日臻成熟。相信在今后的技術(shù)發(fā)展中，復(fù)合材料將具有更廣泛的開拓前景。1.1.3 研究

18、的目的和意義因為復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)相對傳統(tǒng)吸能結(jié)構(gòu)有著眾多的優(yōu)勢，通過良好的設(shè)計可以應(yīng)用于FSAE大學(xué)生方程式大賽中作為吸能器的理想材料。本課題通過使用ANSYSLS-DYNA建立復(fù)合材料破壞有限元仿真模型，對比分析不同因素對復(fù)合材料緩沖吸能特性的影響，并通過設(shè)計環(huán)氧樹脂基碳纖維復(fù)合材料防撞模塊，模擬動態(tài)落錘試驗，對分析結(jié)果進(jìn)行應(yīng)用。并針對吸能特性和輕量化對吸能模塊結(jié)構(gòu)優(yōu)化，減少設(shè)計、試制過程中消耗浪費(fèi)，縮短開發(fā)時間。1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀概述20世紀(jì)七八十年代以來，以NASA的Langley研究中心、Ford汽車公司、英國的利物浦大學(xué)、美國的密歇根大學(xué)、日本的京都工藝?yán)w維大學(xué)、法國的國家運(yùn)輸和

19、安全研究院為代表的一些研究機(jī)構(gòu)對復(fù)合材料圓柱殼(管)的能量吸收性能進(jìn)行了一系列深入研究。國內(nèi)從90年代中后期也作了一些工作。大量研究表明，經(jīng)過合理設(shè)計，這類吸能結(jié)構(gòu)具有可控制的破壞模式，較平穩(wěn)的壓縮載荷，是優(yōu)異的緩沖吸能元件6。在汽車碰撞安全領(lǐng)域，將復(fù)合材料管等性能優(yōu)越的緩沖吸能結(jié)構(gòu)應(yīng)用于汽車是提高其耐撞性的重要途徑。在汽車上含有大量薄壁結(jié)構(gòu)可有效地吸收能量，緩沖吸能結(jié)構(gòu)件的實驗研究和有限元分析成為整車耐撞性能研究重要組成。在軍事及航天航海工程中，復(fù)合材料圓柱殼也有很多重要的應(yīng)用。Farley將復(fù)合材料圓柱管應(yīng)用到直升機(jī)的座椅下，用來吸收直升機(jī)在低空墜落時的沖擊能量，以保護(hù)飛行員的安全。又如宇

20、航員座椅下和密封艙底部的蜂窩緩沖層，都可以用輕質(zhì)復(fù)合材料吸能結(jié)構(gòu)來代替。我國早已有號稱深水炸彈等復(fù)合材料殼體的無磁性水中兵器系列，可深入海底數(shù)百米。目前Airbus公司正在研制的A380大型寬體客機(jī)(550-660座)將采用GLARE制造機(jī)身，包括整個客艙的上半部分，比采用鋁合金板減重500kg。預(yù)示著復(fù)合材料在大型軍、民用運(yùn)輸機(jī)上將有較好的應(yīng)用前景61011。1.3 本文主要研究內(nèi)容本文針對FSAE大學(xué)生方程式大賽設(shè)計緩沖吸能模塊，以期滿足使用需求。主要使用ANSYS/LS-DYNA軟件利用有限元數(shù)值解算的方式進(jìn)行設(shè)計工作，主要研究內(nèi)容如下：（1）從材料學(xué)方面探討復(fù)合材料破壞吸能的理論和數(shù)學(xué)

21、模型，并利用ANSYS/LS-DYNA軟件，提出數(shù)值方法模擬復(fù)合材料破壞吸能的理論和數(shù)學(xué)方程的方法，建立復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素的分析理論基礎(chǔ)。（2）使用ANSYS/LS-DYNA建立了基于標(biāo)準(zhǔn)試件的復(fù)合材料緩沖吸能有限元分析模型。（3）使用基于標(biāo)準(zhǔn)試件的復(fù)合材料緩沖吸能有限元分析模型，對材料、鋪層方向、引發(fā)形式對復(fù)合材料緩沖吸能特性的影響進(jìn)行了探討。（4）利用基于標(biāo)準(zhǔn)試件的復(fù)合材料緩沖吸能有限元分析結(jié)果，從結(jié)構(gòu)、材料、鋪層、引發(fā)結(jié)構(gòu)四方面探討適合FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊的方案，初步設(shè)計FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊，并使用ANSYS/LS-DYNA對分析結(jié)果進(jìn)行了驗證。第 2 章

22、 復(fù)合材料破壞吸能有限元模型2.1 簡介復(fù)合材料圓柱殼緩沖吸能特性受到引發(fā)方式、纖維層方位、纖維含量、成型工藝、實驗條件等因素的影響，采用精確的分析方法確定應(yīng)力或應(yīng)變狀態(tài)是十分困難的。因此許多工程技術(shù)人員轉(zhuǎn)而求助于有限單元法進(jìn)行仿真模擬。目前國際上面向工程應(yīng)用的有限元通用程序多達(dá)幾百種，其中主要有:ANSYS、DYNA3D、NASTRAN、SAP、ASKA、ADINA等，其功能越來越完善，不僅包括多種條件下的有限元分析程序而且?guī)в泄δ軓?qiáng)大的前處理和后處理程序。本章將利用ANSYS/LS-DYNA的強(qiáng)大功能，對復(fù)合材料圓柱殼的落錘沖擊實驗進(jìn)行建模仿真，驗證其合理性12。2.2 復(fù)合材料破壞吸能模

23、型總體來講，復(fù)合材料破壞吸能模式可分為層內(nèi)損傷(基體開裂、基體擠壓破壞、纖維斷裂等)和層間損傷(分層)。2.2.1層內(nèi)損傷模型層內(nèi)損傷的分析采用基于傳統(tǒng)應(yīng)力強(qiáng)度理論的預(yù)測模型。該模型是以材料內(nèi)部某點(diǎn)處的應(yīng)力水平或一定區(qū)域的平均應(yīng)力水平作為失效準(zhǔn)則來判定損傷的產(chǎn)生。這就需要建立一套準(zhǔn)確合理的損傷失效判定準(zhǔn)則，如金屬材料常用的Miser強(qiáng)度準(zhǔn)則與剪切強(qiáng)度準(zhǔn)則，復(fù)合材料的失效準(zhǔn)則是在均勻各向同性和均勻各向異性材料強(qiáng)度理論的基礎(chǔ)上，結(jié)合復(fù)合材料自身的特點(diǎn)，通過大量實驗研究和理論研究逐步發(fā)展起來的。由于復(fù)合材料損傷破壞機(jī)理十分復(fù)雜，失效準(zhǔn)則往往不具有普遍適用性，因此出現(xiàn)了許多失效準(zhǔn)則，如Tsai-Wu失

24、效準(zhǔn)則、Hashin失效準(zhǔn)則、Chang-Chang失效準(zhǔn)則等。對于出現(xiàn)損傷的區(qū)域，其材料力學(xué)性能下降，需要使用適當(dāng)?shù)牟牧蟿偠韧嘶绞?，對損傷區(qū)域的材料性能進(jìn)行調(diào)整。2.2.2分層損傷模型大量研究結(jié)果表明，復(fù)合材料層合板的分層損傷僅在纖維鋪設(shè)角度不同的兩相鄰子層之間的界面處產(chǎn)生、擴(kuò)展13。因此，在可能發(fā)生分層的子層間引入一層厚度極薄界面單元，通過界面單元的失效破壞，可以真實有效地模擬預(yù)測分層損傷的產(chǎn)生，及其擴(kuò)展過程。圖2-1 界面單元示意圖如1圖所示為一典型三維界面單元，它由連接對應(yīng)的上下子層的兩個表面構(gòu)成14。由于界面層非常薄，初始界面單元的上表面和下表面對應(yīng)節(jié)點(diǎn)間的距離非常小。其中局部坐標(biāo)

25、系e1。，為界面單元的厚度方向，該方向的界面力P1，與開裂模式I相關(guān)聯(lián);e2、e3為界面單元的兩個面內(nèi)相互垂直方向，其界面力P2、P3分別與開裂模式II ， III相關(guān)聯(lián)。三種裂紋尖端的開裂模式如圖2所示，分別為:張開型、滑開型和撕開型。圖2-2 三種開裂模式示意圖界面單元的建立是基于粘接域(Cohesive zone)理論。近年來，基于粘接域理論的預(yù)測模型越來越多地被應(yīng)用于分析不同物體在粘結(jié)面處的開裂過程，該模型建立了發(fā)生層間裂紋處的界面力P1與界面上下表面間相對位移s之間的聯(lián)系。如圖2-3為目前廣泛應(yīng)用的界面力-界面相對位移雙線性簡化模型。圖2-3 界面力，界面相對位移模型2.2.3數(shù)值模

26、擬實現(xiàn)方法復(fù)合材料的碰撞吸能是一個非常復(fù)雜的非線性問題，包括材料非線性，結(jié)構(gòu)大變形引起的幾何非線性和接觸非線性。經(jīng)典的解析方法難以精確求解這種復(fù)雜響應(yīng)過程，因此，選擇合適的數(shù)值求解方法顯得尤為重要。現(xiàn)采用大型非線性動力有限元分析軟件LS-DYNA，利用它強(qiáng)大的顯式動力分析求解功能和豐富的材料模型庫，完成復(fù)合材料層合板的碰撞吸能數(shù)值模擬研究工作15。2.3 ANSYS/LS-DYNA簡介作為著名的有限元顯式非線性動力分析有限元程序， ANSYS/LS-DYNA可以求解各種二維和三維非彈性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和模壓等大變形動力響應(yīng)。2.3.1 ANSYS/LS-DYNA的發(fā)展歷史LS-DYNA程序

27、最初稱為DYNA程序，由J-O-Hallqulst博士于1976年在美國Lawrence Livermore National Laboratory(美國三大國防實驗室之一)主持開發(fā)完成，其時間積分采用中心差分格式，當(dāng)時主要用于求解三維非彈性結(jié)構(gòu)在高速碰撞、爆炸沖擊下的大變形動力響應(yīng)，其目的主要是為北約組織的武器結(jié)構(gòu)設(shè)計提供分析工具。經(jīng)過幾代版本的發(fā)展，ANSYS/LS-DYNA已經(jīng)成為世界上最著名的通用顯式動力分析程序，它能夠模擬真實世界的各種復(fù)雜問題，特別適合求解各種二維、三維非線性結(jié)構(gòu)的高速碰撞、爆炸和金屬成型等非線性動力沖擊問題，同時可以求解傳熱、流體及流固藕合問題。從理論和算法而言，

28、ANSYS/LS-DYNA是目前所有的顯式求解程序的鼻祖和理論基礎(chǔ)，在工程應(yīng)用如汽車安全性設(shè)計、武器系統(tǒng)設(shè)計、金屬成型、跌落仿真等領(lǐng)域被廣泛認(rèn)可為最佳的分析軟件包。122.3.2 顯示動力學(xué)分析的特點(diǎn)ANSYS/LS-DYNA是一個以顯式為主，隱式為輔的非線性動力有限元仿真分析求解器，它采用中心差分時間積分的顯式方法，計算結(jié)構(gòu)系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)在第n個時間步結(jié)束時刻的加速度向量為: （2-1）其中，P為施加的外力向量(包括體力經(jīng)轉(zhuǎn)化的等效節(jié)點(diǎn)力);Fint為內(nèi)力矢量，它由下面幾項構(gòu)成： （2-2）三項依次為在當(dāng)前時刻單元應(yīng)力場等效節(jié)點(diǎn)力(相當(dāng)于動力平衡方程的剛度項，即單元剛度矩陣與單元節(jié)點(diǎn)位移的乘積)

29、、沙漏阻力(為克服單點(diǎn)高斯積分引起的沙漏問題而引入的粘性阻力)以及接觸力矢量。節(jié)點(diǎn)速度和位移矢量通過下面兩式計算： （2-3）新的幾何構(gòu)型由初始型x0加上位移增量獲得，即: （2-4）上述方法是一種顯式方法，其基本特點(diǎn)是：(l)不形成總體剛度矩陣，彈性項放在內(nèi)力中，避免了矩陣求逆，這對非線性分析是很有意義的，因為每個非線性增量步，剛度矩陣都在變化。(2)質(zhì)量陣為對角陣時，利用上述遞推公式求解運(yùn)動方程時，不需要進(jìn)行質(zhì)量矩陣的求逆運(yùn)算，僅需利用矩陣的乘法獲取右端的等效載荷向量。(3)上述中心差分方法是條件穩(wěn)定算法，保持穩(wěn)定狀態(tài)需要較小的時間步。92.4有限元模型2.4.1單元類型選擇對復(fù)合材料圓柱

30、殼采用4節(jié)點(diǎn)的Shell163單元，單元在每個節(jié)點(diǎn)上有12個自由度:在節(jié)點(diǎn)X、Y、Z方向的平動，加速度，速度和繞X、Y、Z軸的轉(zhuǎn)動，并且支持顯式動力學(xué)分析所有的非線性特性。其單元幾何圖示見圖2-4。16圖2-4 SHELL163單元在殼厚度方向上每層殼中面處設(shè)置一個積分點(diǎn)，對各層鋪層角參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。綜合考慮單元的適用情況以及計算效率，兩種圓柱殼的單元算法均采用Belytschko-Tsay單元算法，標(biāo)記為復(fù)合材料模式，殼體的網(wǎng)格劃分為四邊形的映射網(wǎng)格。圖2-5 積分節(jié)點(diǎn)的設(shè)置2.4.2 材料模型的選擇用于模擬的有限元模型單元所附材料均選擇MaterialMedel#54，自行編寫材料卡片*MA

31、T_ ENHANCED _COMPOSITE_DAMAGE。這種材料允許不同方向性的應(yīng)力-應(yīng)變響應(yīng)，可以在殼單元體厚度積分點(diǎn)設(shè)置不同的纖維鋪設(shè)方向，并且對于復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)按用戶需要寫入層合參數(shù)。MaterialModel#54適用于薄殼理論，應(yīng)用Chang-Chang失效準(zhǔn)則。這種失效模式更接近于實驗中復(fù)合材料所體現(xiàn)的脆性破壞行為17。下面給出Chang-Chang失效準(zhǔn)則的具體內(nèi)容：對于拉伸纖維模式， （2-5）對于壓縮纖維模式， （2-6）對于拉伸基體模式， （2-7）對于壓縮基體模式，（對于50%纖維體積） （2-8）式4-6中，當(dāng)=1，纖維拉伸方向運(yùn)用Hashin準(zhǔn)則。而對=0則運(yùn)用

32、最大應(yīng)力準(zhǔn)則。相比而言，最大應(yīng)力準(zhǔn)則更加貼近實驗的實際情況。當(dāng)復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)滿足失效條件時，ANSYS/LS-DYNA將會刪除失效單元。而與刪除單元擁有共享節(jié)點(diǎn)的單元將自動轉(zhuǎn)成下一個碰撞接觸單元，進(jìn)一步判斷失效準(zhǔn)則，并且根據(jù)材料的SOFT、TEAIL參數(shù)降低自身強(qiáng)度。這種局部強(qiáng)度的退化算法正是*MAT_ ENHANCED _COMPOSITE_DAMAGE的一大特點(diǎn)，而且也符合實際情況18。另外，對落錘采用Solid164單元，考慮到真實落錘材料與撞擊試件的剛度差異，并且無需考慮落錘變形，因此采用形Rigid材料和Solid164單元組合的方案。仿真后結(jié)果是令人滿意的。2.5 本章小結(jié)本章從

33、材料學(xué)方面探討了復(fù)合材料破壞吸能的幾種模式的理論和數(shù)學(xué)模型，并利用ANSYS/LS-DYNA軟件，提出使用Shell163單元，材料MaterialMedel54，自行編寫材料卡片*MAT_ENHANCED _COMPOSITE_DAMAGE，使用數(shù)值方法模擬復(fù)合材料破壞吸能的理論和數(shù)學(xué)方程的方法模擬復(fù)合材料破壞吸能的過程，為下一章復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素的分析建立理論基礎(chǔ)。第 3 章 復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素的分析3.1 復(fù)合材料元件緩沖吸能性能影響因素復(fù)合材料圓柱殼的壓潰變形過程非常復(fù)雜，因此研究該類元件耐撞性能的影響因素，得出影響規(guī)律，對于設(shè)計緩沖性能更加優(yōu)異的復(fù)合材

34、料緩沖吸能模塊具有重要的意義。一般說來，影響因素包括結(jié)構(gòu)的幾何尺寸、材料性能、引發(fā)方式、加工成型工藝和實驗條件等。本節(jié)將利用有限元分析方法對以上影響因素進(jìn)行對比分析。3.2 標(biāo)準(zhǔn)原件模型根據(jù)參考文獻(xiàn)杜星文，宋宏偉圓柱殼沖擊動力學(xué)及耐撞性設(shè)計M北京：科學(xué)出版社19 選取如下尺寸模型作為復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素的分析的標(biāo)準(zhǔn)原件。圖3-1 復(fù)合材料緩沖吸能標(biāo)準(zhǔn)原件在此基礎(chǔ)上對復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素進(jìn)行探討。3.2分析模型使用CATIA V5R19 對標(biāo)準(zhǔn)原件模型進(jìn)行數(shù)字化建模。模型由三部分組成，分別是落錘體、圓筒狀緩沖吸能元件和地面，其中落錘體與地面使用零件實體建模，圓筒狀緩沖

35、吸能元件使用創(chuàng)成式曲面設(shè)計建模。圖3-2 復(fù)合材料緩沖吸能元件CAD模型將CAD三維模型通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA對其進(jìn)行前處理。劃分網(wǎng)格并施加約束。圖3-3 復(fù)合材料緩沖吸能元件有限元分析模型分析采用4節(jié)點(diǎn)的Shell163單元，單元在每個節(jié)點(diǎn)上有12個自由度，在殼厚度方向上每層殼中面處設(shè)置一個積分點(diǎn)，對各層鋪層角參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。圖3-4殼厚度方向積分點(diǎn)及材料方向設(shè)定綜合考慮單元的適用情況以及計算效率，兩種圓柱殼的單元算法均采用Belytschko-Tsay單元算法，標(biāo)記為復(fù)合材料模式，殼體的網(wǎng)格劃分為四邊形的映射網(wǎng)格。圖3-5 單元設(shè)定模擬的單元所附材料均選擇Material

36、Medel54，自行編寫材料卡片*MAT_ ENHANCED _COMPOSITE_DAMAGE。圖3-6 材料特性卡片由于在該例中，采用單面接觸會在沖擊過程中出現(xiàn)負(fù)體積，因此模型中的圓柱殼定義為自接觸，剛體和殼體間定義為自動點(diǎn)面接觸，落錘定義為目標(biāo)面，殼體定義為接觸面。圖3-7 接觸設(shè)置在ANSYS/LS-DYNA中，單點(diǎn)積分單元容易產(chǎn)生零能模式，即沙漏模式。沙漏是一種以比結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)高得多的頻率振蕩的零能變形模式。本文通過局部增加彈性剛度的方式來控制沙漏，控制方式為基于剛性的沙漏控制type5，并且設(shè)時間步長因子為0.6。圖3-8 沙漏控制設(shè)置初始條件的設(shè)置剛體約束z方向外的其余所有自由度

37、，圓柱殼底部通過修改k文件以剛性墻的形式模擬地面施以約束，落錘接觸速度均為6m/s，重力加速度均為9-8m/s2。圖3-9 初始條件設(shè)置全部設(shè)置完成之后即可進(jìn)行分析。3.3材料對吸能性能的影響因為復(fù)合材料的破壞吸能模式主要為層內(nèi)損傷(基體開裂、基體擠壓破壞、纖維斷裂等)和層間損傷(分層)20，都與材料的強(qiáng)度和模量有著密切的關(guān)系，因此，對比不同材料對復(fù)合材料吸能特性影響是十分必要的，以下是用于分析的復(fù)合材料基本力學(xué)性能表。表3-1 單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基本力學(xué)性能0拉伸90拉伸0彎曲0壓縮強(qiáng)度90壓縮強(qiáng)度層間剪切強(qiáng)度剪切模量泊松比強(qiáng)度模量強(qiáng)度模量強(qiáng)度模量1800MPa130GPa1

38、00MPa10GPa1520MPa110GPa1100MPa167 MPa70MPa5GPa0-3表3-2 玻璃纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料基本力學(xué)性能0拉伸90拉伸0彎曲0壓縮強(qiáng)度層間剪切強(qiáng)度泊松比強(qiáng)度模量強(qiáng)度模量強(qiáng)度模量580MPa32GPa78MPa12GPa580MPa15GPa540MPa64MPa0-3圖3-10 碳纖維復(fù)合材料壓潰過程 圖3-11玻璃纖維復(fù)合材料壓潰過程圖3-12 不同材料壓潰加速度-時間曲線對比表3-3 不同材料壓潰加速度對比碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料峰值加速度（m/s2）511.89423.59平均加速度（m/s2）218.71142.43由上

39、圖可以看出，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料由于自身的強(qiáng)度和模量均高于玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，所以在壓潰時峰值加速度和平均加速度均高于玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。3.4鋪層方向?qū)ξ艿挠绊憣雍蠌?fù)合材料纖維鋪設(shè)方式的不同造成了殼體結(jié)構(gòu)軸向和環(huán)向剛度的差異，因此會對軸向吸能產(chǎn)生巨大的影響21。選取154575進(jìn)行對比分析。3.4.1 15復(fù)合材料試件壓潰過程分析圖3-11 15復(fù)合材料試件壓潰過程與試驗對比從上圖中可明顯看出15時復(fù)合材料試件出現(xiàn)了明顯的層束彎曲破壞現(xiàn)象。此時，內(nèi)部周向纏繞層首先出現(xiàn)復(fù)合材料圓柱殼緩沖吸能特性的力學(xué)分析剪切破裂，周向?qū)优c軸向?qū)影l(fā)生分離。然后纖維發(fā)生折曲和屈曲，隨著環(huán)繞軸向?qū)又?/p>

40、部的裂紋形成，出現(xiàn)了一個界限清晰的區(qū)域。最后被壓碎的材料就像是一個楔塊，從軸向?qū)⒉牧蠑D向管子的內(nèi)部和外部22。圖3-12 15復(fù)合材料試件壓潰加速度-時間曲線表3-4 15復(fù)合材料試件壓潰加速度對比15復(fù)合材料試件壓潰峰值加速度（m/s2）1093.99平均加速度（m/s2）160.32由圖3-12和表3-4可以看出，15時復(fù)合材料試件在壓潰破壞時，有著極高的峰值加速度和較低的平均加速度，這是由于在試件的纖維纏繞方向與軸線夾角極小，基本與受壓方向平行，而纖維方向強(qiáng)度及模量都較高，這使得試件難以發(fā)生破壞，從產(chǎn)生很大的峰值加速度。而在破壞開始后產(chǎn)生的層束彎曲破壞現(xiàn)象，以基體的斷裂為主，纖維的斷裂很

41、少，因此層束還有潛在的斷裂能沒有釋放出來，材料的利用率低。故試件能量吸收率較低。3.4.2 45復(fù)合材料試件壓潰過程分析圖3-13 45復(fù)合材料試件壓潰過程與試驗對比從上圖中可明顯看出45時復(fù)合材料試件出現(xiàn)了明顯的崩潰式斷裂的現(xiàn)象。此時，纖維沿纏繞方向發(fā)生滑移，引起機(jī)體破壞，產(chǎn)生斷裂帶，因為斷裂的出現(xiàn)，整體試件失穩(wěn)，失去承載能力。圖3-14 45復(fù)合材料試件壓潰加速度-時間曲線表3-5 45復(fù)合材料試件壓潰加速度對比45復(fù)合材料試件壓潰峰值加速度（m/s2）494.33平均加速度（m/s2）60.07由圖3-14和表3-5可以看出，45時復(fù)合材料試件出現(xiàn)了崩潰式斷裂的現(xiàn)象。此時，纖維沿纏繞方向

42、發(fā)生滑移，引起機(jī)體破壞，故在崩潰式斷裂未發(fā)生時試件依然有一定承載能力，產(chǎn)生了494.33m/s2的峰值加速度，而在崩潰式斷裂發(fā)生后，整體試件失穩(wěn)，失去承載能力，故平均加速度僅為60.07 m/s2。3.4.3 75復(fù)合材料試件壓潰過程分析圖3-15 75復(fù)合材料試件壓潰過程與試驗對比從上圖中可明顯看出75時復(fù)合材料試件是典型的持續(xù)穩(wěn)態(tài)壓潰模型，既存在層束彎曲，破壞形式為漸進(jìn)式破壞，沒有斷裂產(chǎn)生。圖3-16 15復(fù)合材料試件壓潰加速度-時間曲線表3-6 不同材料壓潰加速度對比75復(fù)合材料試件壓潰峰值加速度（m/s2）423.53平均加速度（m/s2）142.41由圖3-16和表3-6可以看出，7

43、5時復(fù)合材料試件在壓潰破壞時，整體趨向于穩(wěn)態(tài)持續(xù)壓潰破壞，這種破壞模式是由于纖維鋪設(shè)角度增強(qiáng)了殼體的環(huán)向和軸向強(qiáng)度，破壞始于軸向的層間裂紋擴(kuò)展，管壁發(fā)生剪切破壞并產(chǎn)生大量的層束斷裂。隨著軸向應(yīng)變的增加，層束的長度及層間裂紋的長度減小，壓潰過程在周向方向產(chǎn)生大量的纖維和碎片。因此這種破壞模式的材料利用率高，吸能效果好。3.4.5鋪層方向?qū)ξ艿挠绊懙目偨Y(jié)在選取154575進(jìn)行對比分析時，發(fā)現(xiàn)154575三種纖維纏繞方式分別對應(yīng)層束彎曲破壞、崩潰式斷裂以及持續(xù)穩(wěn)態(tài)破壞三種現(xiàn)象。其中75表現(xiàn)出的持續(xù)穩(wěn)態(tài)破壞材料利用率最高，吸能效果最好。3.5引發(fā)形式對吸能的影響復(fù)合材料結(jié)構(gòu)作為緩沖吸能元件，一般要求

44、在不損害吸能的情況下有較長的引發(fā)階段和較低的載荷峰值。研究表明，對復(fù)合材料管端部進(jìn)行削弱處理，可以引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始載荷。3.5.1引發(fā)方式的意義和作用引發(fā)結(jié)構(gòu)實際上是對復(fù)合材料緩沖吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部消弱的一種措施，因為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)吸能依賴于結(jié)構(gòu)的破壞，而結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞之前，由于復(fù)合材料結(jié)構(gòu)自身存在的高剛度，高強(qiáng)度的特性，會產(chǎn)生一個很高的加速度/載荷峰值，而且由于整個復(fù)合材料結(jié)構(gòu)各部位強(qiáng)度分布基本相同，所以很難預(yù)測破壞趨勢，引起總體失穩(wěn)形成崩潰式破壞。圖3-17 沿纖維方向(45)的崩潰式破壞為避免崩潰式破壞的發(fā)生，有必要設(shè)計相應(yīng)的引發(fā)形式，對復(fù)合材料緩沖吸能結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)?shù)南魅?。常見的引發(fā)

45、形式有圓角結(jié)構(gòu)和局部減少鋪層兩種。3.5.2圓角結(jié)構(gòu)對吸能的影響為了提高復(fù)合材料管的引發(fā)效率，傳統(tǒng)的做法是采用倒圓角的引發(fā)方式，即在試件的一端作倒圓角處理。如圖，在分析模型中對原標(biāo)準(zhǔn)原件與落錘接觸端進(jìn)行倒圓角處理。圖3-18 圓角處理后的分析模型圖3-19 圓角處理后模型的壓潰過程圖3-20 圓角處理后模型的壓潰加速度-時間曲線由加速度-時間曲線可以看出，倒圓角處理后復(fù)合材料加速度峰值明顯降低，有效引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始加速度。表3-7 圓角處理后模型的壓潰加速度對比原模型圓角處理后模型峰值加速度（m/s2）423.55320.95平均加速度（m/s2）139.88133.32由加速度-時

46、間曲線可以看出，倒圓角處理后復(fù)合材料加速度峰值明顯降低，有效引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始加速度。而平均加速度變化不大，依然保持原有吸能特性。3.5.3局部減少鋪層對吸能的影響除了傳統(tǒng)的倒圓角的引發(fā)方式，對試件的初始接觸部分進(jìn)行局部減少鋪層也可達(dá)到引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始載荷的效果。如圖，對分析模型中對原標(biāo)準(zhǔn)原件與落錘接觸端進(jìn)行減少鋪層處理，將13層層和結(jié)構(gòu)減為十層層和結(jié)構(gòu)。圖3-21 局部減少鋪層模型的壓潰過程圖3-22 局部減少鋪層處理模型的壓潰加速度-時間曲線表3-8局部減少鋪層處理后模型的壓潰加速度對比原模型局部減少鋪層處理模型峰值加速度（m/s2）423.55331.93平均加速度（m

47、/s2）139.88144.46由加速度-時間曲線可以看出，局部減少鋪層處理后復(fù)合材料加速度峰值明顯降低，有效引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始加速度。而平均加速度變化不大，依然保持原有吸能特性。對比圓角處理模型和局部減少鋪層處理模型加速度-時間曲線，可以看出：圖3-23 不同模型的壓潰加速度-時間曲線原模型圓角處理后模型局部減少鋪層處理模型峰值加速度（m/s2）423.55320.95331.93平均加速度（m/s2）139.88133.32144.46表3-9 不同模型的壓潰加速度對比原模型、圓角處理后模型、局部減少鋪層處理模型3組試件的數(shù)據(jù)對比。與標(biāo)準(zhǔn)件對比，就載荷峰值而言，圓角處理后模型、局部

48、減少鋪層處理模型分別下降了24.2%和21.6%，就平均載荷和比吸能而言，3組試件差異不大，可見增加引導(dǎo)方式在極大地降低了載荷初始峰值，同時又基本不損害吸能的效果。3.6 本章小結(jié)本章主要探討了兩個內(nèi)容：（1）使用ANSYS/LS-DYNA建立了基于標(biāo)準(zhǔn)試件的復(fù)合材料緩沖吸能有限元分析模型。（2）使用基于標(biāo)準(zhǔn)試件的復(fù)合材料緩沖吸能有限元分析模型，對材料、鋪層方向、引發(fā)形式對復(fù)合材料緩沖吸能特性的影響進(jìn)行了探討。同時用分析結(jié)果驗證了層束彎曲破壞、崩潰式斷裂以及持續(xù)穩(wěn)態(tài)破壞三種現(xiàn)象截然不同的緩沖特性。第 4 章 FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊設(shè)計及分析4.1 FSAE對于緩沖吸能模塊的要求FSAE大

49、學(xué)生方程式大賽旨在由各大學(xué)車隊的本科生和研究生策劃、設(shè)計、制造一輛小型方程式賽車并參加比賽。為了更好的保護(hù)賽車手，賽事規(guī)則要求方程式賽車的前部必須安裝緩沖吸能模塊。緩沖吸能模塊的作用是保證賽車在碰撞的過程中，有足夠的安全減速距離，并盡可能多的吸收碰撞能量，防止破壞賽車的主體結(jié)構(gòu)和傷害賽車手，SAE- Formula SAE Rules規(guī)定：安裝了吸能器的總質(zhì)量為300kg的賽車以7m/s的速度正面碰撞剛性墻，其平均碰撞加速度不得超過200m/s2(20g，其中g(shù)10m/s2)，峰值加速度不超過400m/s21。4.2 FSAE緩沖吸能模塊總體設(shè)計方案通過查閱文獻(xiàn)，波紋梁元件有著良好的吸能特性和

50、穩(wěn)定的壓潰過程，且結(jié)構(gòu)簡單，制作方便。非常適合作為FSAE大學(xué)生方程式賽車緩沖吸能模塊的基本結(jié)構(gòu)。緩沖吸能模塊總體設(shè)計以波紋梁作為基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。圖5-1 典型波紋梁單元4.2.1材料選擇在上一章的分析中，可以看出，碳纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料由于自身的強(qiáng)度和模量均高于玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料，且在壓潰時峰值加速度和平均加速度均高于玻璃纖維環(huán)氧樹脂復(fù)合材料。在同等質(zhì)量的前提下可以吸收更多的能量，故選取單向連續(xù)碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹脂復(fù)合材料作為制作FSAE大學(xué)生方程式賽車緩沖吸能模塊的材料。4.2.2 鋪層選擇在上一章的分析中，在選取154575進(jìn)行對比分析時，發(fā)現(xiàn)154575三種纖維纏繞方式分別對應(yīng)層

51、束彎曲破壞、崩潰式斷裂以及持續(xù)穩(wěn)態(tài)破壞三種現(xiàn)象。圖4-2 三種壓潰模式而FSAE大學(xué)生方程式賽車緩沖吸能模塊所需求的功能特性需要持續(xù)穩(wěn)態(tài)破壞，以保證吸能的連續(xù)可靠，而 75表現(xiàn)出的持續(xù)穩(wěn)態(tài)破壞材料利用率最高，吸能效果最好，因此選取75作為FSAE大學(xué)生方程式賽車緩沖吸能模塊的鋪層方式。4.2.3 引發(fā)方式的選擇可以看出，良好的引發(fā)結(jié)構(gòu)可以使在不損害吸能的情況下有較長的引發(fā)階段和較低的載荷峰值，有效引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始載荷。在上一章中，通過分析，發(fā)現(xiàn)圓角處理、局部減少鋪層處理后均能使復(fù)合材料緩沖結(jié)構(gòu)的加速度峰值明顯降低，并有效引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程并降低初始加速度。而平均加速度變化不大，依然保持

52、原有吸能特性。故在FSAE大學(xué)生方程式賽車緩沖吸能模塊的設(shè)計中同時采用圓角處理、局部減少鋪層處理，以降低加速度峰值，引導(dǎo)漸進(jìn)破壞過程。4.3建立有限元分析模型使用CATIA V5R19 對FSAE大學(xué)生方程式賽車緩沖吸能模塊進(jìn)行數(shù)字化建模。模型由兩部分組成，分別是落錘體和緩沖吸能模塊，其中落錘體與地面使用零件實體建模，緩沖吸能模塊使用創(chuàng)成式曲面設(shè)計建模。圖4-5 復(fù)合材料緩沖吸能模塊CAD模型將CAD三維模型通過數(shù)據(jù)接口導(dǎo)入ANSYS/LS-DYNA對其進(jìn)行前處理。劃分網(wǎng)格并施加約束。圖4-6 復(fù)合材料緩沖吸能模塊有限元分析模型分析采用4節(jié)點(diǎn)的Shell163單元，單元算法采用Belytsch

53、ko-Tsay單元算法，標(biāo)記為復(fù)合材料模式，殼體的網(wǎng)格劃分為四邊形的映射網(wǎng)格。模擬的單元所附材料選擇MaterialMedel54，自行編寫材料卡片*MAT_ENHANCED _COMPOSITE_DAMAGE。由于在該例中，采用單面接觸會在沖擊過程中出現(xiàn)負(fù)體積，因此模型中的圓柱殼定義為自接觸，剛體和殼體間定義為自動點(diǎn)面接觸，落錘定義為目標(biāo)面，殼體定義為接觸面。在ANSYS/LS-DYNA中，單點(diǎn)積分單元容易產(chǎn)生零能模式，即沙漏模式。沙漏是一種以比結(jié)構(gòu)全局響應(yīng)高得多的頻率振蕩的零能變形模式。本文通過局部增加彈性剛度的方式來控制沙漏，控制方式為基于剛性的沙漏控制type5，并且設(shè)時間步長因子為0

54、.6。初始條件的設(shè)置剛體約束z方向外的其余所有自由度，圓柱殼底部通過修改k文件以剛性墻的形式模擬地面施以約束，落錘接觸速度均為7m/s，落錘質(zhì)量300kg。 全部設(shè)置完成之后即可進(jìn)行分析。4.4結(jié)果分析圖4-7 FSAE緩沖吸能模塊的壓潰過程圖4-8 FSAE緩沖吸能模塊壓潰加速度-時間曲線表4-1 FSAE緩沖吸能模塊壓潰加速度FSAE緩沖吸能模塊峰值加速度（m/s2）289.30平均加速度（m/s2）189.90完全滿足SAE- Formula SAE Rules規(guī)定：其平均碰撞加速度不得超過200m/s2(20g，其中g(shù)10m/s2)，峰值加速度不超過400m/s21的技術(shù)要求。4.5

55、FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊零件及裝配圖圖4.9 FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊零件圖圖4.10 FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊裝配效果圖4.5本章小結(jié)本章利用基于標(biāo)準(zhǔn)試件的復(fù)合材料緩沖吸能有限元分析結(jié)果，從結(jié)構(gòu)、材料、鋪層、引發(fā)結(jié)構(gòu)四方面探討了適合FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊的方案，初步設(shè)計FSAE復(fù)合材料緩沖吸能模塊，并使用ANSYS/LS-DYNA對分析結(jié)果進(jìn)行了驗證，滿足設(shè)計要求。結(jié)論本文針對FSAE大學(xué)生方程式大賽設(shè)計緩沖吸能模塊，以期滿足使用需求。主要使用ANSYS/LS-DYNA軟件利用有限元數(shù)值解算的方式進(jìn)行設(shè)計工作，得出以下結(jié)論：（1）從材料學(xué)方面探討了復(fù)合材料破壞吸能的幾種模式的理論和數(shù)學(xué)模型，并利用ANSYS/LS-DYNA軟件，提出使用Shell163單元，材料MaterialMedel54，自行編寫材料卡片*MAT_ENHANCED _COMPOSITE_DAMAGE，使用數(shù)值方法模擬復(fù)合材料破壞吸能的理論和數(shù)學(xué)方程的方法模擬復(fù)合材料破壞吸能的過程，為下一章復(fù)合材料元件緩沖吸能性能的影響因素的分析建立理論基礎(chǔ)。（2）使用ANSYS/LS