汽车CFRP结构在实际服役条件下的温度-湿度-载荷耦合老化失效预测方法
批准号:
52102473
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
秦国锋
依托单位:
学科分类:
运载系统运用工程
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
秦国锋
中文摘要
CFRP(碳纤维增强树脂基复合材料)在汽车上的应用是实现轻量化的有效途径之一。CFRP在温度、湿度、载荷耦合作用下会发生老化,影响其失效模式和承载能力,目前还没有针对CFRP结构在汽车实际服役条件下的老化失效预测方法。.本项目选择温度、湿度、载荷三种主要老化因素,根据汽车实际服役特点构建单因素、双因素及多因素耦合加速老化环境,研究CFRP力学性能变化和化学性能变化的定量相关关系,揭示多因素耦合作用下的老化失效机理;研究加速老化条件和实际服役条件下温度-湿度-载荷耦合老化规律之间的关系,根据力学性能和化学性能测试,提出汽车CFRP结构在实际服役条件下的老化因子预测方法。研究汽车CFRP结构在实际服役老化后的本构关系和失效准则,基于损伤力学模型,建立CFRP的老化失效仿真分析模型,结合实车试验改进并验证老化失效预测方法。本项目能够为复合材料的老化失效预测提供理论支持,促进复合材料在汽车上的应用
英文摘要
The use of CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastic) in automobiles is one of the most effective way to achieve lightweight. However, CFRP structures undergo aging when subjected to coupling effect of temperature, humidity and loads in service and the aging has obvious effect on the carrying capacity and failure modes. Currently there's no prediction method of aging failure for automobiles in actual service..In this project, three aging factors of temperature, humidity and loads are selected, and single factor, two-factor and multi-factor accelerated aging environment are built according to the typical aging environment of automobiles in service. The quantitative relationship of mechanical and chemical properties of CFRP after aging is investigated to reveal the aging mechanism of CFRP under the multi-factor coupling effect. The aging rules of accelerated aging and actual service subjected to coupling effects of temperature, humidity and loads were studied, which are used to propose the predicting method of aging level of CFRP applied to automobiles in actual service. The constitutive equation and failure criterion of CFRP after aging of automobiles in actual service are derived, and then the failure prediction model of CFRP is built based on the damage mechanics model. The real car test is conducted to improve and verify the prediction method of aging failure. This project provides theoretical support for aging failure prediction and promote the application of composite materials in automobiles.
CFRP在汽车上的应用是实现轻量化的有效路径,受实际服役环境温度、湿度、载荷的影响,CFRP会发生老化失效影响其耐久性。.首先综述了国内外纤维增强树脂基复合材料在加速老化和自然老化条件下的微观老化机制、宏观力学性能的变化规律,总结了耐久性预测方法的一般流程及其应用进展,提出了复合材料老化失效研究的未来发展趋势。.针对汽车实际服役条件,构建了单一温度、湿度、载荷及其耦合加速老化环境,对拉伸、压缩、剪切状态下的CFRP进行加速老化实验,采用机械测试和化学方法研究老化前后的性能变化规律;通过定性与定量相关性分析,揭示CFRP的老化失效机理。结果表明,CFRP在不同加速老化环境中主要发生了吸湿、水解、氧化、后固化等物理化学变化,CFRP的FTIR峰值与剩余强度具有很高的相关性,并建立了定量相关关系。.研究CFRP在实际服役条件下的老化失效机理,采用灰色系统关联分析方法研究加速老化环境与自然老化环境的相关性、等效转换关系。结果表明,自然老化与加速老化的剩余强度具有强相关性,采用回归分析方法建立了加速老化与自然老化条件下的剩余强度回归函数,基于老化损伤等效原则建立了加速老化与自然老化的等效转换因子。 .根据CFRP的老化实验获得的力学性能或者化学性能老化程度因子,推导老化后的本构关系和失效准则,建立CFRP的老化失效仿真分析流程,对加速老化和自然老化前后的老化失效进行仿真分析。结果表明,与实验测试进行对比,平均仿真误差约为7%,验证仿真分析方法的有效性。.本项目揭示了CFRP在不同环境下的老化失效机理,建立了加速老化与自然老化的等效转换关系,构建了老化失效仿真分析方法,为CFRP在实际服役条件下的老化失效预测与耐久性设计提供参考。
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