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多胞碳纤维复合材料结构仿生设计及其吸能机理研究
结题报告
批准号:
51675540
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
刘强
依托单位:
学科分类:
E0504.机械结构强度学
结题年份:
2020
批准年份:
2016
项目状态:
已结题
项目参与者:
宗志坚、张燕琴、马京博、徐希宇、吴颖菡、付杰、陈航
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中文摘要
轻量化一直是汽车产业发展的关键技术,碳纤维复合材料相对传统金属材料更加轻质高强,具有更优吸能特性,已成为一种最具潜力的汽车轻量化材料。如何在实现结构轻量化的同时保证耐撞安全性能是碳纤维复合材料在汽车领域应用的关键问题。前期预实验结果显示碳纤维复合材料结构多胞化可以有效提高结构耐撞性能,然而其设计方法和吸能机理研究并不深入,亟待解决。本项目旨在借荐自然界的仿生原理建立一套多胞结构的设计方法,自动演化出性能定制的多胞构形;建立多胞结构的精细化仿真模型并开展物理实验,揭示胞元基本元素的变形行为和失效机理,胞元间相互作用和耦合关联效应,整体结构的吸能机理;建立胞元形状、尺寸、纤维材料、铺层等因素与整体结构破坏模式和吸能的影响模型,提出最佳性能匹配和失稳控制方法。本项目的研究,对建立新型复合材料结构设计方法,完善复合材料结构破坏理论,指导轻质高性能汽车吸能装置开发具有较高的学术价值和显著的实践意义。
英文摘要
Lightweight has been a key technology for the development of automobile industry. The Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) is not only of lighter weight and higher strength, but also better energy absorption capability compared to the metallic material, it has become a most promising automotive lightweight material. How to ensure the lightweight while meeting the safely requirement is a key issue in the application in the automobile structures. Our recent experimental results show that the multi-cell configuration can effectively improve the energy absorption capability for structure, whereas there have been limited studies on the design approach and energy absorption mechanism for multi-cell CFRP structures, which need to solve.The project aims to establish a biomimetic design approach for the multi-cell CFRP structures, which can provide the potential multi-cell configuration programs with customized performance. Through the refinement numerical simulations and experiments, the deformation behavior and failure mehcanism of the basis elements in unit cell, the interaction mechanism and coupling effect between unit cells, the energy absorption mechanism of whole multi-cell structure will be addressed. The effects of cell shape, size, fiber materials and plies on the failure modes and energy absorption will be studied, and the approaches used to match the optimal crashworthiness characterisitcs and control the structural instability will be proposed. The project is useful for estalishing design approach for novel composite structures, expanding the damage mehcanism of composite structures and playing a key role in the development of energy absorption apparatus for automobiles.
轻量化一直是汽车产业发展的关键技术,碳纤维复合材料轻质高强且吸能性能优异,已成为一种重要的汽车轻量化材料。如何在实现结构轻量化的同时保证耐撞安全性能是碳纤维复合材料在汽车领域应用的关键问题。将金属材料构件多胞化可以提高结构的吸能特性,复合材料构件多胞化是否也可以提高吸能性能、该结构的设计方法和吸能机理如何,亟待探索。鉴于此,本项目开展了多胞结构的仿生设计、探索了仿生多胞碳纤维样件的制备工艺方法、研究了多胞碳纤维结构吸能机理和胞元参数对吸能性能影响规律。项目首先分析了椰子树、天轮柱和竹等植物的结构特性,通过微观扫描方法研究了生物结构的截面特点,基于载荷、结构和功能相似性分别设计了多胞、多角、圆柱夹层仿生吸能结构,通过仿真和实验发现在相同质量下具有比传统结构更高的吸能性能,如碳纤维仿生多角结构准静态压缩下的比吸能值比普通方管高约15%;针对多胞的结构特点和碳纤维材料的成型特性,开发了多胞粘接和一体化成型两种工艺,对比了不同工艺对结构吸能的影响;研究了碳纤维复合材料胞元元素、胞元和整体结构的变形行为和吸能机理,分析了多胞结构中胞元元素如直边、拐角、T形和十字形角的破坏机理,发现同质量下拐角耦合了翻卷和横向撕裂两种破坏行为,取得最高平均力,研究了仿生双胞、三胞和多角等结构的胞元之间相互作用机理,探索了碳纤维和金属多胞结构吸能机理的区别;最后研究了结构中胞元形状、尺寸、纤维材料和铺层等特征参数对结构破坏模式和吸能特性的影响规律,建立了胞元特征参数与耐撞性能的多目标优化模型,求解获得较高吸能的碳纤维多胞结构优化设计方案,优化结果与原始设计峰值力相近,比吸能提高了5.26%。本项目的研究,对建立新型复合材料结构设计方法,完善复合材料结构破坏理论,指导轻质高性能吸能装置开发具有较高的学术价值和显著的实践意义。
期刊论文列表
专著列表
科研奖励列表
会议论文列表
专利列表
DOI:10.3969/j.issn.1005-5770.2020.04.016
发表时间:2020
期刊:塑料工业
影响因子:--
作者:程斌;黄珍媛;陈邑;刘强
通讯作者:刘强
DOI:10.1016/j.compositesb.2020.108341
发表时间:2020-11
期刊:Composites Part B: Engineering
影响因子:--
作者:Zhengliang Cui;Qiang Liu;Yubo Sun;Qing Li
通讯作者:Qing Li
DOI:10.1016/j.compositesb.2018.08.043
发表时间:2019-01
期刊:Composites Part B: Engineering
影响因子:--
作者:Zhang Yanqin;Liu Qiang;He Zhaoheng;Zong Zhijian;Fang Jianguang
通讯作者:Fang Jianguang
DOI:10.1016/j.matdes.2017.01.010
发表时间:2017-03-05
期刊:MATERIALS & DESIGN
影响因子:8.4
作者:Zhang, Yanqin;Zong, Zhijian;Li, Qing
通讯作者:Li, Qing
DOI:--
发表时间:2017
期刊:玻璃钢/复合材料
影响因子:--
作者:刘强;陈航
通讯作者:陈航
个体精神压力重塑肿瘤干细胞微环境结构的跨层次信号模式调控机制
  • 批准号:
    82341020
  • 项目类别:
    专项基金项目
  • 资助金额:
    150万元
  • 批准年份:
    2023
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
组蛋白去乙酰化酶抑制剂西达本胺对内分泌耐药乳腺癌及其肿瘤微环境的作用及机制研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    --
  • 资助金额:
    52万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
电动汽车编队行驶的节能机理及安全行驶方法研究
  • 批准号:
    --
  • 项目类别:
    省市级项目
  • 资助金额:
    10.0万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
HDAC抑制剂对肿瘤微环境的调控及其免疫联合方案在三阴乳腺癌的作用和机制研究
  • 批准号:
    82230057
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    262万元
  • 批准年份:
    2022
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
长非编码RNA TRALA1调控乳腺癌他莫昔芬耐药的机制研究
  • 批准号:
    81872141
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    63.0万元
  • 批准年份:
    2018
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
乳腺癌祖细胞调控肿瘤微环境在内分泌治疗耐药中的作用及其机制研究
  • 批准号:
    81630074
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    277.0万元
  • 批准年份:
    2016
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
肿瘤相关巨噬细胞对乳腺癌干细胞化疗耐药的调控机制研究
  • 批准号:
    81472467
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    80.0万元
  • 批准年份:
    2014
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
长非编码RNA在乳腺癌Cyclin D1相关内分泌治疗耐药中的机制研究
  • 批准号:
    81272894
  • 项目类别:
    面上项目
  • 资助金额:
    60.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
碳纤维织物增强复合材料中空结构的低速冲击损伤机理研究
  • 批准号:
    51205422
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    26.0万元
  • 批准年份:
    2012
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
肿瘤分子靶向治疗产生多倍体的耐药机制
  • 批准号:
    81130040
  • 项目类别:
    重点项目
  • 资助金额:
    260.0万元
  • 批准年份:
    2011
  • 负责人:
    刘强
  • 依托单位:
国内基金
海外基金