復合材料波紋夾層結構彎曲性能研究

孫 浩, 趙曉昱

(上海工程技術大學 機械與汽車工程學院, 上海 201620)

隨著全球汽車保有量的逐年增加,全球范圍內能源匱乏、環(huán)境污染等問題日益嚴重,開發(fā)更加輕便、清潔的汽車可有效地減少資源消耗和環(huán)境污染,因此,輕量化技術越來越受到各行各業(yè)重視.隨著科技快速發(fā)展,新材料、新技術已被廣泛應用于汽車輕量化領域[1].汽車輕量化技術主要有3個途徑:一是結構輕量化設計,即優(yōu)化零部件尺寸;二是輕量化工藝,即采用新型制造工藝;三是采用輕量化材料[2].其中新型材料研究與開發(fā)作為汽車輕量化設計的重要途徑之一,承擔著汽車減重的重要任務,以碳纖維為主的一系列復合材料已經廣泛應用于現(xiàn)代汽車各個部位.

曲面波紋夾層板有著優(yōu)良的可設計性和適應性,在制備前可以根據(jù)不同應用需求對其內部夾芯結構和表面形狀進行優(yōu)化設計及多功能、多學科協(xié)同設計[3].作為一類重要輕質結構部件,夾芯板在工程應用中已相當普及[4].目前夾層結構已經廣泛應用于航空航天輕量化設計中,其優(yōu)良材料性能以及可設計性也符合汽車輕量化設計要求.為促進夾層結構在汽車領域應用,本文對不同芯層結構復合材料夾層板彎曲性能進行仿真測試,探索其在汽車領域的應用前景.

1 波紋夾層板的設計

波紋夾層板是由2個強度較高的薄面板以及中間輕質波紋芯層組成的一種混雜復合材料夾層結構[5].波紋夾層板憑借高剛度、高強度—重量比以及良好的隔音、絕熱和吸能等優(yōu)勢被廣泛應用于航空航天、輪船艦艇等領域.

1.1 波紋夾層板結構與尺寸

根據(jù)國際標準GB/T 1456—2005《夾層結構彎曲性能試驗方法》,試樣面板形狀要求為長方形,芯子厚度取15 mm.對于蜂窩、波紋等格子型芯子,試樣寬度為60 mm,或至少應包括4個完整格子.波紋板芯部有多種幾何形狀可供選擇,包括正弦、三角形、梯形和矩形等[7].為比較不同芯層結構對夾層板彎曲性能的影響,選取梯形、三角形、梯形和余弦形芯層結構作為芯板形狀,每種形狀芯板均包含4個晶格,具體結構如圖1所示.根據(jù)各形狀特點設計夾層板尺寸,具體參數(shù)見表1.

圖1 夾層板結構圖Fig.1 Sandwich plate structure diagram

1.2 波紋板材料的選擇

夾層結構面板是主要承力構件,在受載時要承受面內拉(壓)力及面內剪力的作用,因而要有足夠強度剛度[7].同時為滿足輕量化要求,本文采用碳纖維T700/BA9916作為面板材料,其基本力學性能見表2.夾層結構芯板要求有足夠抗剪切 能力和強度,同時又需要具有較低密度.根據(jù)2系列鋁合金強度高、密度低的特點,選取6061鋁合金為芯板材料,其基本力學性能見表3.

表1 夾層板結構尺寸Table 1 Structural dimensions of sandwich plate

表2 T700/BA9916碳纖維的基本力學性能Table 2 Basic mechanical properties of carbon fiber T700/BA9916

表3 6061鋁合金基本力學性能Table 3 Basic mechanical properties of aluminum alloy 6061

2 三點彎曲試驗

夾芯結構在應用中會受到諸多外力載荷,彎曲載荷是部件常見外力載荷之一,三點彎曲則是彎載工況下對部件強度、剛度評判最常見的模式[8].

2.1 三點彎曲試驗設計

依據(jù)GB/T 1456—2005試驗要求,對夾層板板長L、跨距l(xiāng)和外伸臂長度a進行設計,如圖2所示,其中L=l+2a,具體數(shù)據(jù)見表4.按照設計要求以及材料設計具體數(shù)據(jù),三點彎曲試驗中壓頭和支撐柱半徑均取7.5 mm.

圖2 三點彎曲試驗示意圖Fig.2 Diagram of three-point bending test

表4 試驗設計數(shù)據(jù)Table 4 Experimental design data

2.2 夾層結構彎曲剛度的計算

三點彎曲剛度計算公式為

(1)

式中:D為夾層結構彎曲剛度,N·mm2;ΔP為載荷—撓度曲線初始段載荷增量值,N;f1為對應ΔP的外伸點撓度增量值,mm.

3 ABAQUS有限元仿真

3.1 有限元仿真步驟設置

由于復合材料鋪層具有可設計性,考慮到芯層結構抗剪切性能要求以及面板抗壓性能要求,在面板皮層設計時采用對稱鋪層設計,總鋪層數(shù)為14層,仿真試驗中碳纖維面板鋪層順序為[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°],如圖3所示.波紋夾層板厚度方向尺寸遠遠小于其他兩個方向尺寸,屬于薄壁件,因此采用薄殼單元來模擬[9].分析步選取為Static,General(靜態(tài)通用分析步),分析步時間長度選為1.波紋夾層結構力學性能在很大程度上取決于面板和波紋芯體的連接質量[10].為模擬面板與芯板連接方式,采用ABAQUS仿真軟件中相互作用模塊下“Tie”約束,可以有效模擬焊接區(qū)域連接方式.分析過程中不考慮從面節(jié)點自由度,也不需要判斷從面節(jié)點接觸狀態(tài),計算時間會大大縮減[11].根據(jù)文獻[12-13]試驗仿真與真實測試結果對比可得,此種模擬方式對試驗結果影響很小.由于用于支撐的支撐柱與施加壓力的壓頭均有較高強度與硬度,所以在模擬過程中將其設置為剛體.將支撐柱完全固定,同時給壓頭施加一個向下速度,以模擬真實載荷加載過程.

圖3 面板鋪層結構圖Fig.3 Structure drawing of panel

3.2 仿真結果

經過ABAQUS軟件后處理模塊分析,得出各夾層板上下面板以及芯板應力分布狀況.選擇Tsai-Wu準則進行強度校樣計算失效指數(shù).

Tsai-Wu失效準則公式為

2F23σ2σ3+F1σ1+F2σ2+F3σ3<1

(2)

式中:Fi和Fij為應力空間強度參數(shù),i,j=1,2,3;σi為不同方向應力分量.

梯形、三角形、矩形、余弦形芯板發(fā)生破壞的后處理圖如圖4至圖7所示,后處理圖中包括芯板應力云圖、上面板Tsai-Wu失效圖、下面板Tsai-Wu失效圖以及上下面板中最大失效層.

根據(jù)Tsai-Wu失效理論可知,當單元失效指數(shù)值大于1時,可以判斷該單元已經失效.根據(jù)不同芯層結構仿真分析結果可以得出,在三點彎曲試驗過程中,鋁制芯板和復合材料下面板首先失效,而夾層結構復合材料上面板仍然可以承受載荷.通過分析各芯層結構下面板最大失效層可知,梯形、三角形、矩形上面板中最大失效層為第4層,即方向角為90°的纖維層,余弦形最大失效層出現(xiàn)在第9層即方向角為0°的纖維層.可以得出0°和90°層抗彎曲載荷能力較小,而45°層抗彎曲和剪切能力較強.根據(jù)上下面板失效情況分析可得,上面板損傷較輕,所以可以通過優(yōu)化上面板鋪層角度與層數(shù)使上下面板同時失效,以減少材料損耗.

圖4 梯形后處理結果圖Fig.4 Results of trapezoid post processing

圖5 三角形后處理結果圖Fig.5 Results of triangle post processing

圖6 矩形后處理結果圖Fig.6 Results of rectangle post processing

4種不同芯層結構夾層板載荷—位移曲線如圖8所示.根據(jù)式(1)計算出梯形、三角形、矩形和余弦形夾層板彎曲剛度分別為1.83×109、1.90×109、1.96×109和1.81×108N·mm2,計算結果說明矩形夾層板的彎曲性能較為出色,余弦形夾層的彎曲性能最差.

圖7 余弦形后處理結果圖Fig.7 Results of cosine post processing

圖8 載荷—位移圖Fig.8 Load-displacement diagram

4 結 語

本文利用ABAQUS仿真軟件對不同芯層波紋板進行三點彎曲仿真試驗,并以碳纖維復合材料和鋁制材料分別作為上下面板和芯板材料進行輕量化設計.試驗結果表明,在保持面板材料與芯板材料相同條件下,4種不同芯層結構首先出現(xiàn)失效的部位均為芯板和下面板,且最大失效層在90°與0°層,為增強夾層結構承載能力可增加45°鋪層,或者對芯層與下面板進行優(yōu)化.通過三點彎曲試驗計算結果可知,在材料相同條件下,矩形芯板夾層結構具有較高彎曲剛度.