基于熵权TOPSIS法的CFRP防撞梁轻量化研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2021.03.016

摘要/Abstract

摘要：

碳纤维增强复合材料（CFRP）具有轻质高强的特点，本文中基于抗撞性要求将某乘用车保险杠原钢制防撞梁替换为CFRP，并进行铺层优化设计。首先对CFRP层合板进行力学性能试验以获得材料参数，并通过三点弯曲仿真试验验证其准确性，然后根据等刚度设计原理，确定CFRP防撞梁的厚度，并通过保险杠低速碰撞有限元仿真对比分析两种材料防撞梁的抗撞性能。在此基础上，以质量、比吸能、最大侵入量和碰撞力峰值为目标，采用熵权TOPSIS方法对CFRP防撞梁进行铺层优化，确定出最优铺层方案。结果表明，在保证抗撞性能要求的条件下，优化后的CFRP防撞梁比原钢制防撞梁减轻了76.82%。

关键词: 防撞梁, 碳纤维增强复合材料, 抗撞性, 熵权TOPSIS法, 轻量化

Abstract:

In view of the excellent mechanical properties （light weight and high strength） of carbon fiber reinforced polymer （CFRP）， the original steel bumper beam of a passenger car is replaced by CFRP one， with its stacking sequence optimized in this paper. Firstly， the material parameters are obtained through the mechanical property tests of CFRP laminates， with its accuracy verified by three point bending simulation test. Then the thickness of CFRP bumper beam is determined based on equivalent stiffness design principle， and a low?speed collision finite element simulation is performed to compare the crashworthiness of steel and CFRP bumper beams. On this basis， with the mass， specific energy absorption， maximum intrusion and peak collision force of bumper beam as objectives， a stacking sequence optimization is conducted on CFRP bumper beam to determine the optimum stacking scheme by adopting entropy?based TOPSIS approach. The results show that the mass of CFRP bumper beam optimized is 76.82% less than original steel one， while ensuring the requirements of crashworthiness.

Key words: bumper beam, CFRP, crashworthiness, entropy?based TOPSIS approach, lightweighting

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图/表 19

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参考文献 21

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参数	数值
密度ρ/( g·cm^-3)	1.65
纵向弹性模量E₁/GPa	51.77
横向弹性模量E₂/GPa	51.77
主泊松比ν₁₂	0.036 9
纵向拉伸强度X_t/MPa	757.08
纵向压缩强度X_c/MPa	314.86
横向拉伸强度Y_t/MPa	757.08
横向压缩强度Y_c/MPa	314.86
剪切模量G₁₂/GPa	2.07
剪切强度S/MPa	39.02

参数	含义	数值
SOFT	失效单元相邻单元的强度折减系数	0.80
FBRT	基体失效后纤维拉伸强度折减系数	0.95
YCFAC	基体失效后纤维压缩强度折减系数	1.0

性能指标	信息熵e_j	权重系数
质量	0.983 4	0.327 5
比吸能	0.995 8	0.082 3
最大侵入量	0.975 0	0.492 7
碰撞力峰值	0.995 1	0.097 5

材料	质量/kg	比吸能/（J·kg^-1）	最大侵入量/mm	碰撞力峰值/kN
钢防撞梁	6.60	87.12	23.54	38.43
CFRP防撞梁	1.53	250.36	28.17	34.12

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