樹脂復(fù)合減振板脫層缺陷研究

楊 建，黃 勝，王 軍，薛菲菲

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710032;2.中國(guó)重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

樹脂復(fù)合減振板是由兩層鋼板中間夾樹脂層組成的，根據(jù)各層的厚度不同，樹脂復(fù)合減振板分為兩類［1］，約束型樹脂復(fù)合減振板和非約束型樹脂復(fù)合減振板，前者表層鋼板的厚度為0.15～1.6mm，樹脂層厚度為0.03～0.1mm，沖壓加工性良好;而后者表層鋼板的厚度較前者薄為0.1～0.4mm，樹脂層厚度比前者厚為0.2～1.0mm，沖壓加工性差常作隔音板用。本文研究約束型樹脂復(fù)合減振板，該減振板能起到減震降噪的效果而不額外的增加重量，在汽車、家電等行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛［2-5］，是傳統(tǒng)鋼板的有效的替代品。

由于減振板的特殊結(jié)構(gòu)，其在沖壓成形過(guò)程中除了會(huì)出現(xiàn)諸如起皺、破裂等缺陷外，還會(huì)出現(xiàn)脫層、表層滑移等缺陷［6］，這些缺陷在減振板成形的過(guò)程中都應(yīng)該避免。目前已有部分學(xué)者研究這些缺陷的預(yù)測(cè)判斷，H.Yao，K.P.Li.etc［7］用試驗(yàn)的方法測(cè)得整個(gè)減振板的FLD，并采用tie-break 接觸的彈簧單元模型，在LS-DYNA 中進(jìn)行了起皺的數(shù)值模擬;H.S.Cheng，J.Cao，H.Yao.etc［8］對(duì)減振板的起皺進(jìn)行了研究，得出減振板的起皺趨勢(shì)與單層板類似。王勇、陳軍、唐炳濤［9］通過(guò)粘聚力模型，以應(yīng)力為判據(jù)，對(duì)減振板的T 剝離進(jìn)行了模擬并與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，得出粘聚力模型能有效的模擬減振板的T剝離。本文采用改進(jìn)的粘聚力模型，通過(guò)數(shù)值模擬研究減振板的脫層、表層滑移、起皺、破裂等缺陷的判斷，并形成樹脂復(fù)合減振板的成形性判斷系統(tǒng)，以便反應(yīng)減振板的脫層、表層滑移、起皺、破裂缺陷的形成。

1 樹脂復(fù)合減振板脫層判據(jù)

脫層和表層滑移是樹脂復(fù)合減振板減振板成形中常見(jiàn)的缺陷，也是影響減振板及其他復(fù)合材料應(yīng)用的主要障礙。脫層破壞了中間樹脂層結(jié)構(gòu)，不僅使減振板的減振降噪的功能大大降低，而且還影響減振板的整體力學(xué)性能。如果能預(yù)測(cè)和判斷減振板的脫層、表層滑移問(wèn)題，不僅對(duì)減振板的成形有重要指導(dǎo)意義，而且對(duì)其他復(fù)合材料的成形也有借鑒價(jià)值。本文通過(guò)切向極限位移試驗(yàn)和法向極限位移試驗(yàn)研究減振板脫層的形成。

1.1 切向極限位移試驗(yàn)

切向極限位移測(cè)試如圖1 所示。將減振板的上下基本從表面切開(kāi)，得到一段有三層結(jié)構(gòu)的區(qū)域，由于只需要測(cè)量減振板上下板的極限位移，所以只要中間三層區(qū)域不是太小對(duì)測(cè)量結(jié)果一般就沒(méi)有影響，試驗(yàn)過(guò)程采用zwick 材料試驗(yàn)機(jī)，將試件上下端夾緊，下端固定，上端向上移動(dòng)，同時(shí)試驗(yàn)機(jī)測(cè)得每一時(shí)刻的試件所受的拉力，直到減振板的樹脂層完全破壞，及試驗(yàn)機(jī)所測(cè)得的拉力開(kāi)始減小，停止上端移動(dòng)，得到整個(gè)過(guò)程的拉力位移曲線。如圖2 所示。

圖1 切向極限位移試件示意圖Fig.1 Specimen systematic of tangential limit displacement

圖2 切向極限位移試驗(yàn)結(jié)果圖Fig.2 Results of tangential limit displacement experiment

由試驗(yàn)結(jié)果知，當(dāng)位移為0.52 mm 時(shí)，減振板上下板間的切向剪切力達(dá)到最大，即當(dāng)減振板的上下板的切向滑移達(dá)到0.52 mm 時(shí)減振板就發(fā)生脫層。

1.2 法向極限位移試驗(yàn)

法向極限位移試驗(yàn)與切向極限位移試驗(yàn)都是為了獲得減振板的脫層的臨界滑移值。對(duì)于法向極限位移試驗(yàn)，需要將減振板從兩端剝離并加入墊塊。加墊塊的目的是方便減振板的夾持。試驗(yàn)過(guò)程采用zwick 材料試驗(yàn)機(jī)，將試件的上下端通過(guò)墊塊夾緊，其中下端固定，上端向上移動(dòng)，同時(shí)試驗(yàn)機(jī)測(cè)得每一時(shí)刻的試件所受法向拉力和拉開(kāi)的位移，直到減振板的樹脂層完全破壞，及試驗(yàn)機(jī)所測(cè)得的拉力開(kāi)始減小，停止上夾持端移動(dòng)，并得到整個(gè)過(guò)程的拉力位移曲線。試驗(yàn)過(guò)程和結(jié)果如圖3 所示。

圖3 試驗(yàn)過(guò)程和試驗(yàn)結(jié)果Fig.3 Test process and results

從圖3 的試驗(yàn)結(jié)果知，當(dāng)減振板上下基板間的位移為0.18 mm 時(shí)，其法向拉力達(dá)到最大值，即當(dāng)減振板上下基板的法向滑移達(dá)到0.18 mm時(shí)減振板就發(fā)生脫層。

1.3 樹脂復(fù)合減振板脫層判據(jù)的建立

樹脂復(fù)合減振板在實(shí)際成形的過(guò)程中，上下基板間的滑移既有法向的也有切向的處在混合狀態(tài)，為此在其脫層破壞準(zhǔn)則中，引入等效相對(duì)滑移變量λ［10］，定義如下

當(dāng)λ ＜1 時(shí)，說(shuō)明粘接層沒(méi)有發(fā)生脫層的破壞，而當(dāng)λ≥1 時(shí)，即當(dāng)減振板的上下基本的位移超過(guò)或者等于0.757 mm(0.522+0.522+時(shí)，減振板就產(chǎn)生脫層破壞。該判據(jù)是偏保守的，可以肯定的是減振板發(fā)生脫層時(shí)并不需要三個(gè)方向上的極限滑移都達(dá)到最大值，發(fā)生脫層位移的實(shí)際值只會(huì)比這個(gè)值小。

2 拉深成形中的脫層判斷

2.1 樹脂復(fù)合減振板拉深成形脫層判斷的算法實(shí)現(xiàn)

ABAQUS 提供了Python 語(yǔ)言接口［11］，對(duì)于樹脂復(fù)合減振板拉深成形脫層判斷的算法實(shí)現(xiàn)，首先通過(guò)Python 語(yǔ)言從ABAQUS 的odb 文件中提取減振板節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、單元結(jié)構(gòu)、單元節(jié)點(diǎn)組成及編號(hào)等信息，然后通過(guò)OpenGL 在MFC 中通過(guò)前面的脫層判據(jù)，判斷成形后的減振板的各個(gè)單元所處的狀態(tài)，包括脫層、臨界脫層、未發(fā)生脫層等，便于直觀的反應(yīng)樹脂復(fù)合減振板的脫層缺陷。具體算法流程圖如圖4 所示。

2.2 U 彎脫層在樹脂復(fù)合減振板成形性判斷系統(tǒng)中的顯示

樹脂復(fù)合減振板U 彎成形的有限元模型的壓邊力為4 kN，沖頭下壓行程為40 mm，其他設(shè)置見(jiàn)ABAQUS 的幫助文檔。根據(jù)算法并通過(guò)OpenGL 渲染建立樹脂復(fù)合減振板的脫層判斷系統(tǒng)顯示脫層結(jié)果如圖5 所示。

2.3 U 彎實(shí)驗(yàn)脫層

2.3.1 U 彎實(shí)驗(yàn)

本文采用U 形彎曲實(shí)驗(yàn)考察減振板的脫層情況。試樣規(guī)格為25 mm ×320 mm，試驗(yàn)壓邊力4 kN，沖頭下壓行程為40 mm，成形后的U形件脫層情況如圖6 所示。

對(duì)比圖5 和圖6 可知，由樹脂復(fù)合減振板的脫層判斷系統(tǒng)顯示脫層的位置與試驗(yàn)結(jié)果基本吻合。因此該脫層判據(jù)基本能預(yù)測(cè)判斷樹脂復(fù)合減振板成形過(guò)程中的脫層缺陷。其中不完全相同的部分，一方面是樹脂復(fù)合減振板U 彎成形過(guò)程的數(shù)值模擬采用的是改進(jìn)的粘聚力模型，該模型并不能完全準(zhǔn)確的模擬減振板的沖壓成形;另外一方面也有試驗(yàn)工藝和試驗(yàn)設(shè)備的控制不精確或者試驗(yàn)材料力學(xué)性能不夠穩(wěn)定等的原因。

圖6 樹脂復(fù)合減振板的U 型件的脫層Fig.6 Delamination defect in U-bending

3 結(jié)論

(1)建立脫層判據(jù)。通過(guò)切向極限位移試驗(yàn)和法向極限位移試驗(yàn)得出減振板的發(fā)生脫層時(shí)上下基板的相對(duì)滑動(dòng)距離的極限值，從而得出減振板的脫層的判據(jù)。

(2)對(duì)脫層判據(jù)進(jìn)行了驗(yàn)證。通過(guò)數(shù)值模擬的方法對(duì)減振板的U 彎過(guò)程進(jìn)行了模擬，并對(duì)其脫層情況進(jìn)了判斷，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程就是通過(guò)脫層判據(jù)在MFC 中建立樹脂復(fù)合減振板的脫層判斷系統(tǒng)，最后用U 彎試驗(yàn)和該判據(jù)判斷的減振板的U 彎脫層情況進(jìn)行了對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該判據(jù)能有效的預(yù)測(cè)和判斷減振板的脫層缺陷。

［1］Xinran Xiao，Ching-Kuo Hsiung，Zhong Zhao.Analysis and modeling of flexural deformation of laminated steel［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2008，50:69－82.

［2］Ri-hui Zhang，T.T.Soong.Design of Viscoelastic Dampers for Structural Applications ［J］.Journal of Structural Engineering，1992，118 (5):1375－1392.

［3］S.Tsai.Temperature effect of viscoelastic dampers during earthquakes［J］.Joural of Structural Engineering，1992，120(2):394－409.

［4］Phris P，Shy Rong.Hybrid control using viscoelastic dampers and active controls for seismic structure［J］.First world conference on structural control，1994(8):3－5.

［5］C.Chang，S.J.Chen.Inelastic behavior of steel frames with added viscoelastic dampers［J］.Journal of structural engineering，1996(10):232-－243.

［6］王勇.樹脂復(fù)合減振板拉深成形研究及數(shù)值模［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［7］H.Yao，C.C.Chen，S.D.Liu，et al.Laminated steel forming modeling techniques and experimental verifications［N］，SAE Paper.2003－01－06.

［8］H.S.Cheng，J.Cao，H.Yao，et al.Wrinkling behavior of laminated steel sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，151:133－140.

［9］WANG Yong，CHEN Jun，TANG Bing-tao.Finite element analysis for delamination of laminated vibration damping steel sheet［J］.Trails.Nonfci-rous Mct.SOC.China，2007，17(3).

［10］Mi Y，Crisfield M，Davies G.Progressive delamination using interface elements［J］.J Comopos Mater，1998，32:1246－1272.

［11］ABAQUS，Inc.ABAQUS Scripting User's Manual，Version6.8 ［M］.Pawtucket，USA，ABAQUS，Inc，2008.

［12］曹博，羅珊珊，楊志.TGIC 對(duì)PBI/PDE 共混復(fù)合材料斷裂韌性的影響研究［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2012(5).