能源紧缺、环境污染的社会问题日益凸显,汽车轻量化设计是提高续航里程、减少环境污染的重要手段。在汽车轻量化设计的过程中,选择轻质材料替代钢制部件材料是一种效果显著的方法。而纤维复合材料轻质、性能优异的特点,为汽车轻量化设计提供了诸多可能。目前应用最为广泛的是碳纤维复合材料(CFRP),但由于碳纤维成本高昂,碳纤维复合材料易产生应力集中、整体呈脆性,因此寻找性能优异、成本低廉的纤维复合材料成为轻量化研究的热点问题。玄武岩纤维是天然、无毒、对环境友好的无机纤维,成本低廉且储量丰富,被称为“二十一世纪的无污染绿色材料”。玄武岩纤维整体性能虽不及碳纤维,但相比于其他纤维,具有高强度、高模量,化学性质稳定,断裂韧性高的特点,并且具有良好的耐腐蚀性、阻燃性。除此之外玄武岩纤维的挤出工艺比其他任何纤维的工艺都更简单节能。编织复合材料是由纱线经过一定的编织工艺形成的预编织件,然后与基体材料固化成型的复合材料。相较于单向纤维复合材料,编织复合材料层合板在改进层间、层内强度和损伤容限等方面具有巨大的潜力,另一方面由于它更易于成型,制造费用较低,因此具有更强的竞争力。本文以平纹编织玄武岩纤维复合材料(BFRP)为研究对象,针对材料的弯曲性能和低速冲击性能,从优化编织结构和层间混杂碳纤维两个角度进行性能增强,充分发挥编织结构及纤维混杂的优势,最后将增强的玄碳混杂复合材料应用于汽车B柱外板,进行基础性研究。具体研究内容如下:(1)制备了玄武岩纤维层合板样件,进行了相关力学性能试验。首先制备了由6层平纹玄武岩纤维布组成的层合板,进行了拉伸、压缩、剪切试验,获得基本力学性能参数,然后进行了三点弯曲试验和落锤试验。(2)建立代表性体积单元模型,预测平纹玄武岩纤维层合板的弹性性能,建立宏观有限元模型。首先建立能准确刻画平纹编织结构的代表性体积单元,基于均质化理论预测复合材料的弹性性能,与试验结果进行对比。然后基于连续损伤模型建立层合板的弯曲、低速冲击有限元模型,将仿真结果与试验结果进行对比。经对比,验证了细观模型可用于复合材料弹性性能预测,也验证了基于连续损伤的宏观有限元模型的有效性。(3)研究了纱线宽度、纱线间距、纱线厚度对弹性性能的影响,并对结构参数组合进行优化。基于代表性体积单元及弹性性能预测方法,分别分析了纱线宽度、纱线间距、纱线厚度对弹性模量、剪切模量的影响,然后以弹性模量、剪切模量和弯曲强度最大,以及一定范围内的纤维体积分数最小为优化目标,采用响应面法和遗传算法进行多目标优化设计,最终优化的编织结构参数组合为纱线宽度x1=0.8mm,纱线间距x2=0.2mm,纱线厚度x3=0.35mm。(4)研究了不同混杂比、不同着力面的玄碳混杂复合材料弯曲性能和低速冲击性能。制备了玄碳混杂比为1:1、2:1、5:1的玄碳混杂层合板和纯碳纤维层合板,以着力面为碳纤维或玄武岩纤维分别进行弯曲试验和落锤试验(5J、10J、15J),结合相应的有限元仿真对比分析弯曲性能和抗冲击性能,研究结果表明:在玄武岩纤维中混杂碳纤维一方面可以提高层合板的抗弯性能,弯曲模量和弯曲强度均有提高,且随着碳纤维层数的增加而增加,将碳纤维层置于三点弯曲的压缩侧抗弯性能更强;另一方面,混杂碳纤维后层合板的冲击峰值力下降,但吸能提高,混杂层合板综合了碳纤维吸能好和玄武岩纤维峰值力大的优势,碳纤维置于冲击侧较碳纤维置于背侧损伤程度小,吸能小,峰值力大。(5)综合玄武岩纤维的自身优化结果和最佳混杂比,将增强的玄碳混杂层合板应用于汽车B柱外板,在三点弯曲、低速冲击、静态工况下与钢制B柱进行对比。混杂复合材料B柱可以达到钢制B柱的刚度和强度,头、胸、胯部的侵入量、侵入速度基本均小于钢制B柱,替换后B柱外板质量下降55%,减重效果明显,初步探究了玄武岩纤维增强复合材料用于汽车B柱的应用效果。