论文总字数：43310字

摘 要

随着人均汽车保有量的日益增加，汽车排放带来了众多的环境问题，这也使得得汽车研发越来越注重节能减排。复合材料夹层结构因其质量轻、强度高等优点，在汽车、飞机等领域得到了越来越广泛的应用。

本文以复合材料泡沫夹层板为研究对象，利用ABAQUS有限元软件，针对其受高速冲击载荷作用下的损伤机理进行了研究。结果表明高速冲击夹层板的主要损伤形式为上面板分层损伤、基体拉伸损伤以及泡沫芯层碎裂损伤，泡沫芯层在冲击过程中会吸收大部分的能量，泡沫芯层越厚其抗冲击性能越强，泡沫芯层密度越低其抗冲击性能越强。

其次，本文还研究了夹层板冲击后压缩、拉伸、弯曲工况下的损伤形式和剩余强度，数值计算的结果表明冲击后压缩强度损失最为严重，且不同的工况下其损伤拓展规律差异较大，但在受冲击损伤的中心区域其损伤面积都存在一定程度的拓展。

最后，本文在损伤机理研究的基础上，为获得更加合理的夹层板结构采用带精英策略的非支配排序的遗传算法作为优化方法，利用MATLAB软件实现优化过程。以夹层板泡沫芯层的厚度作为设计变量进行了优化设计，得到一组Pareto最优解集，利用最小距离选择法最终得到了芯层厚度的最优解。

本文利用有限元法研究了复合材料泡沫夹层板高速冲击下的损伤机理和冲击后的剩余强度，利用遗传算法和最小距离选择法成功实现了泡沫夹层板的优化设计，本文研究内容为汽车结构设计拓展了新的思路，也对复合材料夹层结构设计具有一定的借鉴意义。

关键词：复合材料夹层结构；高速冲击；数值模拟；遗传算法；结构优化

Abstract

With the increasing number of vehicles per capita, automobile emissions have brought many environmental problems, which also makes automobile research and development pay more and more attention to energy conservation and emission reduction. Because of its light weight and high strength, composite sandwich structure has been more and more widely used in the fields of automobiles and airplanes.

In this paper, the composite foam sandwich panel is used as the research object, and the damage mechanism under high-speed impact load is studied using ABAQUS finite element software. The results show that the main damage forms of high-speed impact sandwich panels are upper layer delamination damage, matrix tensile damage and foam core cracking damage. The foam core layer absorbs most of the energy during the impact process. The thicker the foam core layer, the more resistant it is. The stronger the impact performance, the lower the density of the foam core and the stronger the impact resistance.

Secondly, the paper also studies the damage form and residual strength of the sandwich panel under compression, tension and bending conditions after impact. The numerical calculation results show that the compression strength loss after impact is the most serious, and the damage expansion rules are different under different conditions. It is larger, but there is a certain degree of expansion in the damage area of the center area affected by the impact.

Finally, based on the study of damage mechanism, in order to obtain a more reasonable sandwich panel structure, non-dominated sorting genetic algorithm with elite strategy is used as the optimization method, and MATLAB software is used to realize the optimization process. The thickness of the foam core layer of the sandwich panel is used as a design variable to optimize the design, and a set of Pareto optimal solution sets is obtained. The optimal solution of the core layer thickness is finally obtained by using the minimum distance selection method.

In this paper, the finite element method was used to study the damage mechanism and residual strength of the composite foam sandwich panel under high-speed impact. The genetic algorithm and the minimum distance selection method were used to successfully achieve the optimal design of the foam sandwich panel. It has expanded new ideas and has certain reference significance for the design of composite sandwich structure.

Keywords: composite sandwich structure; high-speed impact; numerical simulation; genetic algorithm; structural optimization

目录

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.1.1研究背景 1

1.1.2研究意义 2

1.2 国内外研究现状 2

1.2.1 夹层结构冲击损伤机理研究 2

1.2.1 夹层结构冲击后剩余强度研究 3

1.2.3 夹层结构优化设计研究 4

1.3 本文研究内容和研究思路 5

1.3.1研究内容 5

1.3.2研究思路 5

第二章 复合材料夹层结构有限元模拟 7

2.1 泡沫夹层板失效理论 7

2.1.1 内聚力失效模型 7

2.1.2 碳纤维面板层失效模型 8

2.1.3可压碎泡沫模型 9

2.2材料属性 11

2.3 高速冲击数值模拟 12

2.4 高速冲击后压缩及拉伸数值模拟 14

2.5 高速冲击后弯曲数值模拟 15

本章小结 16

第三章 泡沫夹层板高速冲击失效机理研究 17

3.1 冲击能量对夹层板的损伤影响 17

3.2 冲击器形状对夹层板的损伤影响 21

3.3 泡沫芯层对夹层板的损伤影响 24

3.3.1 芯层厚度对夹层板冲击损伤的影响 25

3.3.2 芯层密度对夹层板冲击损伤的影响 27

本章小结 30

第四章 泡沫夹层板高速冲击后剩余强度研究 31

4.1 高速冲击后剩余压缩强度研究 31

4.2 高速冲击后剩余拉伸强度研究 34

4.3 高速冲击后剩余弯曲强度研究 37

本章小结 40

第五章 基于遗传算法的夹层板抗冲击性能优化设计 42

5.1遗传算法概述 42

5.2 NSGA-Ⅱ算法的应用 42

5.2.1 NSGA-Ⅱ算法基本思想 42

5.2.2 快速非支配排序 43

5.2.3 拥挤度计算和精英保留策略 44

5.2.4 遗传操作 45

5.2.5 Pareto支配关系 46

5.3 多目标优化数学模型建立 47

5.3.1 目标函数建立 47

5.3.2 优化问题定义 49

5.4 优化结果分析 50

本章小结 51

结论 52

参考文献 53

致谢 56

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

1.1.1研究背景

随着科技与经济的飞速发展，保护生态环境成为了越来越多人的共识，工业界也越来越注重绿色发展。近年来，我国汽车产业飞速发展，机动车产销均为全球第一，总体保有量呈指数级增长。汽车在一定程度上方便了越来越多人的生活，但其保有量的增加也带来了一系列的社会问题，如交通堵塞、尾气排放污染等。据生态环境部2019的管理年报显示，机动车产生的排放污染是我国大气污染的主要来源之一。因此，汽车必然朝节能环保的方向发展，对乘用车而言，重量每减少10%，可节油7%～8%, CO2排放可减少6%～7% ，汽车轻量化是降低能耗、减少排放的最有效措施之一^[1]。

汽车减重的方法较多，比如零部件结构优化、选用新能性能材料、电子控制等等。在新材料使用方面，复合材料结构因其重量轻、比强度和比刚度高、稳定性好和耐腐蚀等优异特性和功能特点,在汽车结构中存在广阔的应用空间。目前汽车中使用的复合材料结构主要有碳/玻璃纤维层合板和复合材料三明治夹层结构，本课题研究对象为碳纤维三明治夹层结构，结构示意图如图1.1所示。夹层结构在工业界的应用可追溯到上世纪四十年代，最初的夹层结构一般以木材作为面板和芯层。但随着粘接技术的进步，目前已经可以批量生产超高强度的结构胶，这也使得夹层结构的整体性得到巩固。目前复合材料夹层结构在航空航天领域的应用相对成熟一些，空客A380-800机身结构也大量采用了碳纤维层合板结构和碳纤维/芯层夹层结构，如图1.2所示。目前使用较多的芯层材料有芳纶蜂窝、铝蜂窝以及低密度泡沫，泡沫夹芯结构比其具有以下优点：泡沫材料为各向同性材料，可以提供多个方向的承载能力，且由于泡沫为弹塑性材料具有较为理想的能量吸收作用。对于汽车结构而言，由于泡沫内部为孔状结构，采用泡沫芯层还能起到很好的隔音降噪功能。综合可知，泡沫夹层结构不仅能实现整车轻量化，还能在一定程度上提升抗冲击性能和驾驶体验，具有十分广泛的应用前景。

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