题目：轻质车用复合材料冲击吸能特性研究

面对资源和环境问题的严峻挑战，在保证汽车碰撞安全的前提下，通过减轻汽车自身重量来降低能耗、减少排放依然是汽车工业的重要研究课题。与金属材料相比，复合材料具有良好的可设计性，通过基体改性，可能获得更好的比吸能特性，其中，碳纤维和碳纳米管是最有前途的增强项。为将这些复合材料用于汽车碰撞区域，了解其微观构成对碰撞吸能特性的影响十分必要。首先，研究了单根碳纳米管及其作为复合材料增强项时受冲击的破坏模式和吸能机理。应用分子动力学和纳米有限元法，分别建立了碳纳米管及其增强复合材料的单胞模型，分析了基体材料类型、碳纳米管体积百分含量等因素对复合材料中各种能量耗散机理贡献量的影响，对比了单根碳纳米管及其在复合材料中的冲击失效过程，探讨了碳纳米管对于基体吸能特性的增强作用。然后，研究了纤维增强复合材料的碰撞吸能特性。根据复合材料力学原理，计算了四种典型纤维复合材料的等效力学特性，应用均一化模型和有限元方法，研究了纤维增强复合材料薄壁方管的尺寸及其材料设计对其轴向冲击吸能特性的影响。重点研究了管件的厚径比、纤维性质和排布方式对于复合材料管的吸能量和峰值力的影响。最后，建立了汽车前纵梁吸能管的简化有限元模型，按照汽车正面碰撞准则确定碰撞载荷条件，对比了分别采用金属材料、传统纤维增强复合材料和新型碳纳米管改性基体的纤维增强复合材料制作的薄壁管的吸能特性。结果表明：碳纳米管改性基体的纤维增强复合材料效果最佳，在汽车轻量化方面具有潜在的应用价值。