碳纤维复合材料由于其优异的力学性能使其在汽车轻量化方面拥有巨大的发展前景,但是碳纤维脆性大、成本高的问题一直制约着其在汽车应用上的普及。混杂复合材料作为一种新的材料体系,相比单一纤维复合材料可设计性更强、更灵活,而且可以弥补单一纤维材料的缺陷,拓宽复合材料的应用范围。为了解决碳纤维在汽车应用上的局限性,本文通过引入混杂复合材料,对其在汽车覆盖件上的应用进行了系统的研究。首先,以单一纤维力学性能研究方法为基础,通过碳纤维-玄武岩纤维混杂复合材料弯曲和低速冲击性能的研究确定最优混杂比范围及铺层次序;其次,为了研究混杂复合材料损伤机理,通过建立复合材料弹性本构模型和损伤退化模型,对混杂复合材料的受力及损伤退化规律进行了分析;最后,为了探究混杂复合材料在汽车覆盖件上的应用前景,对其在汽车前机舱盖板上的应用进行了系统的优化设计及验证。本文研究工作在十三五国家重点研发专项《全新架构电动汽车结构-材料-性能一体化多目标优化设计》支持下完成,主要内容包括以下几个方面:(1)确定了碳纤维-玄武岩纤维混杂复合材料最优混杂比范围及铺层次序。设计了多种混杂复合材料层合板,通过弯曲试验获得不同混杂比材料的弯曲性能,得到了弯曲强度随着混杂比提高的变化趋势。通过扫描电子显微镜(SEM)观察了试样失效后的微观形貌,对比分析不同混杂比复合材料的失效形式及失效机理,并分析了产生差异的原因。对多种混杂复合材料层合板进行低速冲击试验,系统研究了其在不同冲击能量下的冲击响应、能量吸收能力,得出不同混杂设计对复合材料冲击性能的影响规律。使用超声C扫描来确定混杂复合材料在低速冲击载荷下的破坏形式及失效面积,进一步研究了混杂比的变化对复合材料低速冲击性能和失效行为的影响。通过弯曲及低速冲击性能的研究,确定了提高混杂复合材料性能的最优混杂比范围及铺层次序。(2)建立并验证了复合材料损伤退化理论模型,对混杂复合材料进行了性能预测和损伤机理研究。结合基于应变的Chang-Chang纤维强度理论、断裂韧性的刚度退化理论以及内聚力单元的分层理论,建立了复合材料损伤退化模型。首先通过对比有限元分析与试验结果,验证了损伤退化模型的准确性,然后将该理论模型用于不同混杂设计铺层的层内应力分析,借助层内应力的变化特性可以推断混杂方式对整体性能的影响。此外,对混杂复合材料的损伤及扩展形式进行了研究,分析了在不同外力作用下层合板基体、纤维及层间界面的破坏形式。(3)对混杂复合材料前机舱盖板进行了优化设计及性能验证。以原钢制前机舱盖板不同工况下的响应值为设计边界条件,建立了碳纤维复合材料前机舱盖板模型并对其进行优化设计,通过试验验证了模型的准确性。然后对碳纤维前机舱盖板进行混杂设计,分析对比了不同混杂铺层在不同工况下的性能。最后对行人头碰过程进行模拟,通过头部损伤评价指标(HIC)、最大侵入量、能量吸收能力评价了碳纤维以及混杂纤维前机舱盖板的行人保护能力。