● 摘要
应用轻质材料及其结构是汽车减重和节能减排的核心手段之一，但同时也可能存在碰撞或冲击载荷下的安全隐患，例如汽车与障碍物发生正面或侧面碰撞、行人与发动机舱盖板或保险杠的低速碰撞、追尾时乘员头部与头枕的碰撞、路面不平度对汽车悬架及底盘零件的连续冲击等工况。将轻质材料及其结构安全地用于汽车零件设计的前提是：定量地研究其在典型静态或动态载荷下的变形过程、能量吸收或耗散机理和可能的失效模式，分析其冲击特性的主要影响因素及影响规律等，并提供相应的实验测试、理论分析和数值模拟方法。
本文研究了三种车用轻质材料（金属、聚合物基纳米复合材料和智能橡胶）及其结构在静、动态载荷下的能量吸收及响应特性，为其在吸能装置和悬架系统中的应用提供了理论依据。研究内容主要包括：
（1）薄壁金属圆管是一种被广泛应用于各类载运工具中的碰撞吸能结构。对其轴向压溃的研究较多，而对其在侧向压溃下的变形和吸能，尤其是管系的研究很少。本文提出了一种 “等效塑性刚度”法：将单根金属圆管简化成具有“塑性刚度”的“类弹簧”元件，基于其组合形式建立了相应的“类弹簧”组。根据给定的载荷和约束条件（一对集中力作用或平板对压），推导了单根“类弹簧”的塑性刚度计算公式，并通过有限元仿真和实验结果验证其有效性。针对安装空间受限的侧向金属管吸能器，在给定最大变形量和吸能量的条件下，将该方法与优化算法结合，初步确定了多管的排列组合形式及它们的几何尺寸。该研究为金属管吸能装置的概念设计提供了快速、可靠的解决方案。
（2）聚合物基纤维增强复合材料是一种正逐步应用于汽车的轻质材料。与金属相比，它具有较高的比强度、比刚度和比吸能和较强的可设计性。而碳纳米管力学性能优于传统纤维材料，有望成为聚合物基复合材料理想的增强相，对其冲击动态行为的探索可能带来车用材料的一次飞跃。本文应用分子结构力学和纳米尺度有限元相结合的方法，基于ANSYS参数化设计语言，建立了单壁碳纳米管的有限元模型。采用Morse原子势函数，推导了碳-碳共价键的本构关系。研究了手性、直径、长度和载荷施加位置对单壁碳纳米管吸能特性的影响。结果表明：该材料的失效模式为脆性断裂；在纵向冲击载荷下，其比金属和复合材料管的比吸能高1~2个数量级。应用复合材料力学和均一化模型，数值模拟了单壁碳纳米管增强聚合物基复合材料和纤维增强单壁碳纳米管改性聚合物基复合材料板在低速冲击下的动态变形过程。与聚合物基体相比，经单壁碳纳米管改性后复合材料的比刚度和加速度峰值增大。该研究为聚合物基纳米材料在车身蒙皮上的应用提供了理论参考。
（3）与上述被动吸能材料不同，铁磁颗粒填充硅橡胶制成的磁敏弹性体能够通过自适应耗能缓冲路面不平度对车架的冲击激励，具有较好的应用前景。本文研究了颗粒排布差异和磁场强度对毫米级颗粒增强磁敏弹性体冲击振动特性的影响。分别制备了颗粒呈均匀及链状分布的两种材料试件，设计并搭建了带有磁场发生装置的落锤冲击实验台，测试了材料的冲击行为。为求解试件内部变形和应力场的变化过程，提出了一种力场-磁场耦合的数值迭代算法。实验和数值结果表明：随着磁场强度的增加，试样的刚度增大，峰值作用力增大，缓冲响应周期缩短；在相同的磁场强度下，颗粒在基体内呈链状分布比均匀分布时的峰值加速度大且震荡响应时间短；当冲击载荷与磁场方向平行时，颗粒相互吸引并压缩基体，使链内颗粒间的基体材料出现了压溃行为。
（4）采用理论解析的方法，应用粘-弹-塑模型，对微米级铁磁颗粒增强磁敏弹性体在零磁场和外加磁场环境下的力学行为进行了研究，推导了材料的本构关系。建立了磁敏弹性体单自由度缓冲模型，分析了磁场对其动力学响应的影响。应用Hertzian势函数，建立了磁敏弹性体内单条颗粒链的一维动力学方程，分析了冲击波在颗粒链内的传播特性。结果表明：与零磁场状态相比，磁敏弹性体在磁场作用下的耗能量增加，冲击波的传播速度增大，衰减震荡的时间明显缩短。该研究对磁敏弹性体自适应隔震装置的开发提供了理论基础。