碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测方法和装置与流程

本发明涉及一种汽车设计与制造领域，尤其是涉及一种碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测方法和装置。

背景技术：

薄壁构件被广泛应用于汽车、飞机等领域的防撞系统中。随着这些领域对于安全性与节能性的双重要求，如何在尽可能轻质的情况下提高薄壁结构的抗撞性能显得尤为重要。对于车辆的前后防撞梁、车门防撞梁、保险杆及车身b柱这类薄壁结构而言，在实际撞击过程中弯曲是其主要的变形吸能模式，并且，在工程实际结构中，高达90％的结构件的破坏是由于横向载荷弯曲破坏所引起。因此，对于薄壁结构受横向载荷的吸能研究具有非常重要的工程意义。

碳纤维复合材料缠绕金属管可以用于制造更为轻量化而且防撞性能更好的薄壁构件，但是碳纤维复合材料缠绕金属管作为一种不同于普通金属圆管的新型材料，缺乏对其在横向载荷下的弯矩旋转响应和吸能量的检测方法，因此目前难以直接通过碳纤维复合材料缠绕金属管进行精确的薄壁构件设计。

技术实现要素：

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测方法和装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测方法，具体包括以下步骤：

s1.对碳纤维复合材料缠绕金属管在三点弯试验下进行横向加载，直至金属管发生塌陷形变，获取试验数据，根据实验数据计算碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度；

s2.根据试验数据和等效屈服强度建立碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲理论模型m＝m(θ)，其中，m表示曲弯矩，θ表示旋转角；

s3.根据理论模型通过积分方式获取吸能量w，其计算表达式为：

w＝∫m(θ)dθ。

进一步地，所述的碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲理论模型具体如下；

弹塑性阶段：

其中，m为弹塑性阶段的弯曲力矩，l0为试验装置跨距长度，θ为弹塑性阶段圆管的旋转角，d0为混合管外径，σ0为碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度，eh为碳纤维复合材料缠绕金属管的弹性模量，ih为碳纤维复合材料缠绕金属管的截面惯性矩；

截面椭圆化平稳阶段：

其中，mu为极限力矩，θoval为椭圆化转角，r为碳纤维复合材料缠绕金属管的外半径，t为碳纤维复合材料缠绕金属管的总厚度；

结构塌陷阶段：

m0＝4σ0r²t

其中，m0为圆管未变形时截面的全塑性弯矩，ф是圆管变形时的机构角，h是圆管塑性折叠区长度，r是圆管变形时的滚动半径。

进一步地，碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度计算表达式为：

式中，tm和tc分别为金属管的厚度和碳纤维复合材料的厚度，σm为金属管的屈服强度，σc为碳纤维复合材料的屈服强度，ε为真应变，k为应变强度系数，n为应变硬化指数。

进一步地，碳纤维复合材料的屈服强度计算表达式为：

式中，α是碳纤维复合材料的第i层缠绕角度，tci[α]是碳纤维复合材料的第i个缠绕层厚度，σ1和σ2分别是平行于碳纤维复合材料纤维和垂直于碳纤维复合材料纤维的强度，τ12是碳纤维复合材料的面内剪切强度。

一种碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测装置，所述的装置包括处理器以及存储器，所述处理器调用存储器中的数据执行程序，用于实现以下步骤：

s1.获取对碳纤维复合材料缠绕金属管在三点弯试验下进行横向加载直至金属管发生塌陷形变的试验数据，根据实验数据计算碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度；

s2.根据试验数据和等效屈服强度建立碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲理论模型m＝m(θ)，其中，m表示曲弯矩，θ表示旋转角；

s3.根据理论模型通过积分方式获取吸能量w，其计算表达式为：

w＝∫m(θ)dθ。

进一步地，所述的碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲理论模型具体如下；

弹塑性阶段：

其中，m为弹塑性阶段的弯曲力矩，l0为试验装置跨距长度，θ为弹塑性阶段圆管的旋转角，d0为混合管外径，σ0为碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度，eh为碳纤维复合材料缠绕金属管的弹性模量，ih为碳纤维复合材料缠绕金属管的截面惯性矩；

截面椭圆化平稳阶段：

其中，mu为极限力矩，θoval为椭圆化转角，r为碳纤维复合材料缠绕金属管的外半径，t为碳纤维复合材料缠绕金属管的总厚度；

结构塌陷阶段：

m0＝4σ0r²t

其中，m0为圆管未变形时截面的全塑性弯矩，ф是圆管变形时的机构角，h是圆管塑性折叠区长度，r是圆管变形时的滚动半径。

进一步地，碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度计算表达式为：

式中，tm和tc分别为金属管的厚度和碳纤维复合材料的厚度，σm为金属管的屈服强度，σc为碳纤维复合材料的屈服强度，ε为真应变，k为应变强度系数，n为应变硬化指数。

进一步地，碳纤维复合材料的屈服强度计算表达式为：

式中，α是碳纤维复合材料的第i层缠绕角度，tci[α]是碳纤维复合材料的第i个缠绕层厚度，σ1和σ2分别是平行于碳纤维复合材料纤维和垂直于碳纤维复合材料纤维的强度，τ12是碳纤维复合材料的面内剪切强度。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明实现了对碳纤维复合材料缠绕金属管吸能量的检测，建立了碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲理论模型，能够适用于计算不同径厚比、不同纤维复合材料缠绕的各类金属管在横向载荷下的吸能量。

2、本发明考虑了在检测过程中容易发生的圆管塑性变形的硬化行为，能够使的检测的结果更加精确。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为三点弯试验的布置示意图。

图3为碳纤维复合材料缠绕金属管弯矩-旋转角曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例提供了一种碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测方法，具体包括以下步骤：

步骤s1.对碳纤维复合材料缠绕金属管在三点弯试验下进行横向加载，直至金属管发生塌陷形变，获取试验数据，根据实验数据计算碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度；

步骤s2.根据试验数据和等效屈服强度建立碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲理论模型m＝m(θ)，其中，m表示曲弯矩，θ表示旋转角；

步骤s3.根据理论模型通过积分方式获取吸能量。

对碳纤维复合材料缠绕金属管进行三点弯试验，其分布具体布置如图2所示。横向载荷的加载速率为10mm/min，加载长度为40mm。加载辊和支持辊直径均为15mm，支撑辊的跨距为250mm，碳纤维复合材料缠绕金属管的采样长度为300mm。

碳纤维复合材料缠绕金属管的缠绕方式为[90°/±45°/90°]，碳纤维复合材料缠绕钢管的几何参数和材料性能参数见表1和表2。金属管采用钢管。

表1碳纤维复合材料缠绕金属管的几何参数

表2材料参数

根据试验数据计算碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度前先要确定其中碳纤维复合材料的屈服强度，其计算表达式为：

式中，α是碳纤维复合材料的第i层缠绕角度，tci[α]是碳纤维复合材料的第i个缠绕层厚度，σ1和σ2分别是平行于碳纤维复合材料纤维和垂直于碳纤维复合材料纤维的强度，τ12是碳纤维复合材料的面内剪切强度。

碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度计算表达式为：

式中，tm和tc分别为金属管的厚度和碳纤维复合材料的厚度，σm为金属管的屈服强度，σc为碳纤维复合材料的屈服强度，ε为真应变，k为应变强度系数，n为应变硬化指数，e是金属管的弹性模量。

获取碳纤维复合材料缠绕金属管的抗弯刚度，其计算表达式为：

式中，eci是碳纤维复合材料第i层的沿纤维方向的等效弹性模量，e是金属管的弹性模量，ii是碳纤维复合材料第i层的截面惯性矩，i是金属的截面惯性矩。

基于弯曲理论建立碳纤维复合材料缠绕金属管的弯矩-旋转角,根据碳纤维复合材料缠绕金属管横向载荷下不同阶段时的变形形式建立模型：m＝m(θ)，碳纤维复合材料缠绕金属管的弯矩-旋转角关系主要分三个阶段：

(1)弹塑性阶段：

其中，m为弹塑性阶段的弯曲力矩，l0为试验装置跨距长度，θ为弹塑性阶段圆管的旋转角，d0为混合管外径，σ0为碳纤维复合材料缠绕金属管的等效屈服强度，eh为碳纤维复合材料缠绕金属管的弹性模量，ih为碳纤维复合材料缠绕金属管的截面惯性矩；当弹塑性阶段的弯曲力矩达到极限力矩时，即为第二阶段椭圆化平稳阶段的开始。

(2)截面椭圆化平稳阶段：

其中，mu为极限力矩，θoval为椭圆化转角，r为碳纤维复合材料缠绕金属管的外半径，t为碳纤维复合材料缠绕金属管的总厚度。由于第二阶段的旋转角不能从理论上确定，可以通过第二阶段和第三阶段的弯矩-旋转角曲线之间的关系确定，即椭圆化平稳阶段的结束角为结构塌陷阶段的起始角。

(3)结构塌陷阶段：

m0＝4σ0r²t

其中，m0为圆管未变形时截面的全塑性弯矩，ф是圆管变形时的机构角，h是圆管塑性折叠区长度，h＝1.31r，r是圆管变形时的滚动半径，r＝0.6r。

结合三个阶段弯矩与旋转角的关系，得到碳纤维复合材料缠绕金属管弯矩-旋转角曲线，如图3所示。根据曲线积分得到碳纤维复合材料缠绕金属管在横向载荷下的吸收能量可计算为：

w＝∫m(θ)dθ

通过上述弯矩-旋转角的理论模型得到最大弯矩对应的旋转角为10.1°，吸能量为305.7j。

综上所述，本发明提出的一种碳纤维复合材料缠绕金属管的吸能量检测方法，能够准确预测碳纤维复合材料缠绕金属管弯曲压溃的吸能，可以实现对设计方案的前期快速评估和及时修改，降低样件的制造成本和试验成本。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。