汽車板簧復(fù)合材料彎曲應(yīng)力下的模擬

于杰

摘要：隨著對輕量化的要求越來越高，復(fù)合材料逐漸被應(yīng)用在各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中。其中復(fù)合材料在汽車的板簧上的應(yīng)用十分重要。汽車板簧作為輕量化結(jié)構(gòu)汽車懸架系統(tǒng)中的基本彈性部件也是必需的?；旌蠈訅喊宓纳a(chǎn)是當(dāng)前研究的主題。它們的材料性質(zhì)在很大程度上取決于層的邊界層行為，層壓結(jié)構(gòu)與相鄰的無關(guān)層壓層的相互作用。這些因素影響混合層壓結(jié)構(gòu)中的板簧的動(dòng)力傳遞機(jī)理。因此，本文用光學(xué)儀器以及有限元分析復(fù)合材料在彎曲應(yīng)力下的位移狀態(tài)，從而為更好的應(yīng)用在汽車板簧的材料選取中提供理論基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：鋼;玻璃纖維增強(qiáng)塑料;復(fù)合材料

1? 三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)

三點(diǎn)彎曲測試包括將橫截面為矩形或圓形的樣品放在彎曲設(shè)備上，調(diào)整跨度并將樣品加載到彎曲測試上，直到達(dá)到指定的彎曲或斷裂程度?；诟鞣N實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們假設(shè)彎曲變形之前平坦的梁的橫截面保持平坦并垂直于彎曲之后的梁的軸線，這是彎曲變形的平面假設(shè)。假設(shè)樣本包含大量縱向纖維：彎曲變形后，下表面附近的纖維伸長，上表面附近的纖維縮短。根據(jù)平面假說，纖維狀態(tài)沿著從下表面到上表面的橫截面高度從伸長到壓縮逐漸變化，使得中間的纖維層的長度必須保持不變。該層稱為中性層。

1.1 混合層壓板的應(yīng)力狀態(tài)

混合層壓板由幾種復(fù)合材料組成，由于不同的組合，混合層壓板具有不同的應(yīng)力狀態(tài)。本文的混合層壓板由鋼和玻璃增強(qiáng)纖維組成，因此層壓板的張力狀態(tài)受鋼含量和纖維位置的影響。

根據(jù)對稱性，假設(shè)材料是線性彈性的，則應(yīng)力和應(yīng)變在橫截面上對稱分布。在樣品的中間，出現(xiàn)張力和無應(yīng)變的纖維（中性層）。當(dāng)載荷應(yīng)力分布在橫截面上時(shí)，最大的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力始終出現(xiàn)在彎曲試樣的外緣纖維中。通過這種壓縮應(yīng)力變形，試樣中只有單個(gè)對稱分布的層才能達(dá)到拉伸或壓縮應(yīng)力。載荷對稱地分布在橫截面上，最大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力假定在樣品橫截面上呈線性。[1]

1.2 有限元模型分析（FEM-ABAQUS）

在纖維層中，纖維層壓體是正交各向異性材料。該模型的長度為240mm，寬度為30mm，高度為15mm[2]。層材料分布為：玻璃增強(qiáng)纖維，玻璃增強(qiáng)纖維，玻璃增強(qiáng)纖維，玻璃增強(qiáng)纖維，鋼，鋼，玻璃增強(qiáng)纖維，玻璃增強(qiáng)纖維，玻璃增強(qiáng)纖維，玻璃增強(qiáng)纖維。層壓板下移位移為3.2mm。

圖1：最大應(yīng)力時(shí)的位移，樣品的四個(gè)位置沿Y軸的向下位移。X 0mm平面是樣品的中間位置，其他三個(gè)平面是沿X軸的正方向截取的。由于對稱原理，僅提取樣本中間和右側(cè)的數(shù)據(jù)。Y軸的原點(diǎn)是樣品的頂部。從圖片中可以看出，平面X+9mm，X+18mm和X+27mm在彎曲過程中線性變化，這表明材料在彎曲過程中線性變形。在樣品的中間位置（平面X 0mm），第八層的偏移略有減少，第九層的偏移略有增加，第十層的偏移迅速減小。事實(shí)證明，在第八到第十的中間位置試樣層在彎曲過程中首先發(fā)生形變，因此位移略微向上移動(dòng)。然后，當(dāng)發(fā)生彎曲時(shí)，它將繼續(xù)向下移動(dòng)。

1.3 光學(xué)測量

本次試驗(yàn)所用的光學(xué)儀器為3D測量儀器ARAMIS。ARAMIS是一種非接觸式光學(xué)3D測量系統(tǒng)。它可以/分析，計(jì)算和記錄測量對象的變形，運(yùn)動(dòng)和動(dòng)態(tài)行為。系統(tǒng)自動(dòng)確定隨時(shí)間變化的離散點(diǎn)的坐標(biāo)。時(shí)間分辨率取決于使用頻率，可以根據(jù)需要設(shè)置?？梢允褂昧Ⅲw相機(jī)設(shè)置確定3D空間坐標(biāo)，并在坐標(biāo)中測量和計(jì)算測量對象。該軟件清楚地將攝像機(jī)圖像中的點(diǎn)分配給彼此。這些點(diǎn)是通過將組件與參考點(diǎn)粘合或通過在組件表面噴涂隨機(jī)圖案來建立的。3D坐標(biāo)隨時(shí)間變化，因此可以計(jì)算位移，應(yīng)變和其他相關(guān)數(shù)據(jù)，例如速度和加速度。

在試驗(yàn)前需對樣品進(jìn)行表面噴涂，為了使測量結(jié)果盡可能精確，需使噴涂表面滿足以下要求：

①表面圖案隨測量對象的變形而變化;

②測量對象上的圖案具有良好的對比度;

③表面沒有或只有輕微的反射;

④圖案足夠大，以便相機(jī)可以完全分辨出圖案。同時(shí)，樣本足夠小，因此存在用于評估的精細(xì)計(jì)算面網(wǎng)格;

⑤圖案是具有變化的灰度值的隨機(jī)結(jié)構(gòu)，沒有大的斑點(diǎn)[3]。

樣本噴涂結(jié)束后使用Zwick Roell測試機(jī)和ARAMIS測量系統(tǒng)進(jìn)行測量。ARAMIS系統(tǒng)用于確定應(yīng)力分布以及對應(yīng)位置的位移。樣品上的負(fù)載以及力和位移測量值的記錄均使用Zwick測試機(jī)進(jìn)行。在開始測量之前，將測量每個(gè)噴涂的樣品并將其放置在傳感器距離中間的水平位置。試樣的中間位置位于橫桿上，以確保彎曲試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)過程中必須保證ARAMIS和Zwick必須同時(shí)啟動(dòng)，以便他們可以衡量整個(gè)過程。彎曲過程結(jié)束后，必須及時(shí)結(jié)束測量，以免浪費(fèi)時(shí)間并節(jié)省存儲(chǔ)空間。以1.6KN的力開始測量。

由于樣本位移僅為3.2mm，因此需要將設(shè)備與被測樣本間的距離減少，這將導(dǎo)致在彎曲過程中會(huì)使邊界模糊，并導(dǎo)致試驗(yàn)過程中數(shù)據(jù)丟失。

從圖2：ARAMIS測量結(jié)果中可以看出，最大撓度約為3.3mm，位于樣本的中間。如曲線所示，撓度從中心向右減小。同時(shí)，顏色從紅色變?yōu)樗{(lán)色。即，樣本中間位置受力最大，撓度最高，因此中間區(qū)域顯示的顏色也為紅色。該圖顯示了四個(gè)單獨(dú)部分從樣品頂部到底部的位移。黑色曲線（平面X+0）是樣品的中間位置。紅色曲線是從9 mm平面到中間位置向右的偏移，以此類推。由于樣本表面的噴涂點(diǎn)和相機(jī)之間的距離會(huì)在彎曲過程中發(fā)生變化，導(dǎo)致某些點(diǎn)不會(huì)被掃描到，因此會(huì)出現(xiàn)無法測量的點(diǎn)。

2? 試驗(yàn)結(jié)果對比

3? 總結(jié)與展望

在這項(xiàng)工作中，模擬和分析了混合層壓板在彎曲應(yīng)力下的一般和局部位移行為。為此，介紹了相關(guān)的理論知識(shí)。然后基于該理論知識(shí)進(jìn)行建模。為了能夠?qū)旌蠈訅喊宓膹澢龀鐾暾年愂霾⒃诶碚摵蛯?shí)踐之間進(jìn)行比較，在ABAQUS中建立了數(shù)值模型，并使用ARAMIS進(jìn)行了光學(xué)測試。該模型分為兩個(gè)部分。第一部分是FEM，通過它可以在彎曲過程中精確確定混合層壓板的位移和應(yīng)力。第二部分是光學(xué)測量。也可以使用ARAMIS光學(xué)測量設(shè)備確定相應(yīng)的應(yīng)力和位移。

盡管創(chuàng)建并分析了模型，但是在某些方面可以改進(jìn)模型。在FEM，可以進(jìn)一步細(xì)分網(wǎng)絡(luò)。在每層之間添加膠水，然后再次選擇邊界條件。在光學(xué)測試中，外部因素的影響，例如，選擇一個(gè)更合適的特定測試，在噴涂過程中進(jìn)行更精確的噴涂，并改善采樣點(diǎn)的質(zhì)量。

參考文獻(xiàn)：

[1]Grellmann， W.; Seidler， S. Hrsg.： Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag， München， 2015.

[2]DIN EN ISO 178 （2017-06）： Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften （Normentwurf）.

[3]GOM， Pr？覿zise industrielle 3D-Messtechnik， Erfassung Grundwissen， GOM Software 2017 - ARAMIS， Braunschweig， 2017.