鋁合金-碳纖維增強(qiáng)聚丙烯混合帽型梁熱成形數(shù)值模擬

王振, 曹悉奧, 梅軒, 朱國(guó)華 , 陳軼嵩, 郭應(yīng)時(shí)

（長(zhǎng)安大學(xué) 汽車學(xué)院，西安 710064）

鋁合金具有密度較低、強(qiáng)度較高、易加工成形、延展性良好和耐腐蝕性高等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于汽車車身結(jié)構(gòu)中，滿足性能需求的同時(shí)顯示出優(yōu)異的輕量化效果[1]。與此同時(shí)，強(qiáng)度更高、模量更高和密度更低的纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基復(fù)合材料由于其材料成本逐年下降和制造水平不斷提升，也開(kāi)始應(yīng)用于汽車零部件的設(shè)計(jì)中，有望逐步取代傳統(tǒng)金屬材料，達(dá)到“以塑代鋼”的效果[2]。相比熱固性復(fù)合材料，熱塑性復(fù)合材料具有更高的斷裂韌性和抗疲勞性，而且熱塑性樹(shù)脂加熱軟化、冷卻固化的物理特性使其易于回收而且可反復(fù)加工成形[3-4]，更加符合國(guó)家的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略。相比玻璃纖維和玄武巖纖維，碳纖維具有更高的比剛度和比強(qiáng)度，然而，斷裂延伸率較低和成本較高等缺點(diǎn)制約了其在汽車領(lǐng)域的大規(guī)模應(yīng)用[5-6]。相比于航空級(jí)的聚醚醚酮(PEEK)和聚苯硫醚(PPS)[7-8]，聚丙烯(PP)的力學(xué)性能稍弱，通過(guò)將其與碳纖維結(jié)合可進(jìn)一步提升其力學(xué)性并能較好地滿足車身構(gòu)件的性能需求[9-10]，廉價(jià)的材料成本使其在汽車領(lǐng)域更具競(jìng)爭(zhēng)力。因此，兼顧了聚丙烯高韌性、低成本和碳纖維高強(qiáng)度、低密度等優(yōu)點(diǎn)的平紋機(jī)織物碳纖維增強(qiáng)聚丙烯熱塑性復(fù)合材料(Plain woven-carbon fiber reinforced polypropylene，PW-CF/PP)在汽車輕量化設(shè)計(jì)中顯示出廣闊的應(yīng)用前景[11]，將鋁合金與碳纖維增強(qiáng)聚丙烯 (Al-CF/PP)混合使用則能夠進(jìn)一步促進(jìn)兩種材料的優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)[12]。

作為一種典型的纖維-金屬層合板(Fibermetal laminate，F(xiàn)ML)結(jié)構(gòu)，鋁合金-碳纖維增強(qiáng)聚丙烯混合薄壁結(jié)構(gòu)可以通過(guò)熱模壓/熱拉深工藝快速成形為具有單/雙曲率的車身薄壁構(gòu)件[13-14]。然而，由于碳纖維增強(qiáng)聚丙烯是由兩種不同材料混雜而成的復(fù)合材料，其成形特性、缺陷機(jī)制和力學(xué)性能均與金屬材料差異較大。目前，國(guó)內(nèi)外已有較多的關(guān)于熱固性復(fù)合材料-金屬混合薄板拉深成形特性的報(bào)道，例如，Heggemann等[15]實(shí)驗(yàn)探究了碳纖維-金屬層壓板拉深起皺失效機(jī)制及抑制方法；Lin等[16]通過(guò)對(duì)金屬板表面改性從而提升了纖維-金屬層壓板的力學(xué)性能；王健等[17-18]先后探究了單一碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料、碳纖維增強(qiáng)熱固性復(fù)合材料/鋁合金混合結(jié)構(gòu)的拉深成形性能，發(fā)現(xiàn)碳纖維織物增強(qiáng)預(yù)浸料比單向增強(qiáng)預(yù)浸料具有更優(yōu)異的成形性能。相比之下，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外有關(guān)熱塑性復(fù)合材料-金屬混合結(jié)構(gòu)熱成形性能的研究報(bào)道相對(duì)較少，王振等[19]通過(guò)熱模壓成形工藝制備了鋁合金-碳纖維增強(qiáng)聚丙烯混合帽型梁，并結(jié)合X射線掃描斷層 (X-ray computed tomography，X-ray CT)技術(shù)對(duì)成形后的混合帽型梁試樣進(jìn)行了逐層掃描，發(fā)現(xiàn)混合帽型梁內(nèi)部的碳纖維織物幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生了明顯的剪切變形。盡管X-ray CT技術(shù)能夠較好地對(duì)復(fù)合材料-金屬混合薄壁構(gòu)件的內(nèi)部宏微觀形貌進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)和精確表征，但是依然無(wú)法實(shí)時(shí)地觀測(cè)其在熱模壓成形過(guò)程中內(nèi)部材料的流動(dòng)變形特性及缺陷形成機(jī)制。

為了更加深入、全面地探究復(fù)合材料-金屬混合結(jié)構(gòu)在成形過(guò)程中的材料變形特性和缺陷形成機(jī)制，可靠、高效和靈活的數(shù)值模擬技術(shù)越來(lái)越多地引入到薄板材料成形特性的研究中。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外關(guān)于金屬薄板沖壓成形特性的研究已有較多報(bào)道，例如李光耀等[20-21]針對(duì)金屬車身薄板材料的成形特性開(kāi)展了大量的試驗(yàn)、仿真、理論和優(yōu)化研究。以往的研究表明，ABAQUS、DYNAFORM和PAMFORM等商業(yè)有限元軟件均提供了較完備的金屬?zèng)_壓成形材料本構(gòu)模型[22-24]。遺憾的是，上述商業(yè)有限元軟件至今依然缺乏成熟的熱塑性復(fù)合材料熱模壓/拉深成形材料本構(gòu)模型，原因在于熱塑性復(fù)合材料具有明顯的各向異性力學(xué)特點(diǎn)，其熱成形過(guò)程又不可避免的涉及材料的熱力耦合力學(xué)特性，另外，織物材料的非正交變形和熔融樹(shù)脂的流動(dòng)行為等均為其熱成形本構(gòu)模型的開(kāi)發(fā)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。為此，國(guó)內(nèi)外已有較多學(xué)者投入了大量的精力去構(gòu)建精準(zhǔn)的熱塑性復(fù)合材料熱成形本構(gòu)模型，彭雄奇等[25-26]較早地開(kāi)發(fā)了織物材料的超彈性非正交本構(gòu)模型；Gong等[27]開(kāi)發(fā)了碳纖維增強(qiáng)聚醚醚酮預(yù)浸料的非正交超彈性本構(gòu)模型；Wang等[28]成功地開(kāi)發(fā)了玻璃纖維增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸料的非正交次彈性本構(gòu)模型；鮑益東等[29]和Liang等[30]均成功地構(gòu)建并驗(yàn)證了二維機(jī)織織物材料的非正交各項(xiàng)異性本構(gòu)模型；近年來(lái)，孔令國(guó)等[31]和呂柄熠等[32]均成功開(kāi)發(fā)了考慮織物材料面外彎曲變形特性的非正交本構(gòu)模型，上述模型能夠較好地模擬織物材料成形過(guò)程中的彎曲變形，有利于探究織物材料的起皺缺陷形成機(jī)制。上述織物本構(gòu)模型可為本文開(kāi)發(fā)熱塑性復(fù)合材料-金屬混合結(jié)構(gòu)的熱成形本構(gòu)模型提供可靠的指導(dǎo)。

本文旨在基于Johnson-Cook (JC)模型構(gòu)建與溫度相關(guān)的鋁合金片材的熱模壓材料本構(gòu)、基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)構(gòu)建與溫度相關(guān)的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯預(yù)浸料的非正交次彈性本構(gòu)模型；利用有限元技術(shù)模擬鋁合金-碳纖維增強(qiáng)聚丙烯(Al-CF/PP)混合帽型梁的熱模壓預(yù)成型過(guò)程；通過(guò)與X-ray CT掃描結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證Al-CF/PP混合材料的熱模壓本構(gòu)模型的準(zhǔn)確性；進(jìn)一步采用數(shù)值模擬技術(shù)探究壓邊力和溫度對(duì)鋁合金及碳纖維增強(qiáng)聚丙烯材料在熱成形中的變形特性的影響規(guī)律，為后續(xù)構(gòu)建其熱模壓成形評(píng)價(jià)準(zhǔn)則奠定模型基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及材料性能介紹

1.1 CF/PP和Al片材的力學(xué)特性

實(shí)驗(yàn)所用的碳纖維增強(qiáng)聚丙烯(CF/PP)預(yù)浸料由上下兩層聚丙烯薄膜和中間一層3 K碳纖維平紋機(jī)織物(佛山市瑞能達(dá)特種材料科技有限公司提供)通過(guò)熱模壓制成，CF/PP預(yù)浸料的面密度約為198 g/m2。聚丙烯基體熔融溫度約為166℃，熱分解溫度約為410℃。所用鋁合金片材的牌號(hào)為6061-T3(東莞市三碩金屬制品有限公司提供)，厚度為0.3 mm，主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋁合金片材的主要化學(xué)成分 (wt%)Table 1 Major chemical composition of the alloy sheet(wt%)

圖1展示了Al片材和CF/PP預(yù)浸料的單軸拉伸和偏軸拉伸試樣和實(shí)驗(yàn)設(shè)備。環(huán)境箱可以分別設(shè)置25℃、190℃、220℃和250℃不同的溫度條件，DIC設(shè)備記錄Al片材表面的應(yīng)變及CF/PP中織物的剪切角變化，萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄載荷-位移曲線。不同溫度下Al片材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖2所示，可以發(fā)現(xiàn)其屈服應(yīng)力隨著溫度的升高而減??；不同溫度下CF/PP預(yù)浸料的應(yīng)力-剪切角曲線如圖3所示，可以發(fā)現(xiàn)隨著溫度的升高CF/PP的剪切剛度逐漸減小，原因是聚丙烯樹(shù)脂在較高的溫度下熔融軟化更加充分，進(jìn)而減小了纖維束之間的轉(zhuǎn)動(dòng)阻力。

圖1 Al和碳纖維增強(qiáng)聚丙烯(CF/PP)片材的單軸拉伸和偏軸拉伸測(cè)試Fig.1 Uniaxial and bias-extension tests for Al and carbon fiber reinforced polypropylene (CF/PP) sheets

圖2 Al片材在不同溫度條件下的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線Fig.2 Tensile stress-strain curves of Al sheets under different temperature conditions

圖3 CF/PP預(yù)浸料在不同溫度下的應(yīng)力-剪切角曲線Fig.3 Bias-extension stress-shear angle curves of CF/PP prepreg under different temperature conditions

1.2 Al-CF/PP混合梁的成形特性

圖4展示了Al-CF/PP混合帽型梁的熱模壓制備工藝、結(jié)構(gòu)尺寸及CT掃描過(guò)程。熱模壓開(kāi)始前，將Al片材與CF/PP片材交替對(duì)稱鋪放在模具表面，通過(guò)螺栓預(yù)緊壓邊圈從而抑制起皺缺陷產(chǎn)生。成形溫度為220°C，壓力為3 MPa，冷卻時(shí)間為60 min。成型后對(duì)Al-CF/PP混合梁冗余材料切割，采用CT技術(shù)對(duì)Al-CF/PP混合梁進(jìn)行逐層掃描，沿厚度方向每隔0.135 mm生成一張二維CT圖像。圖5和圖6分別展示了混合梁內(nèi)部第4層和第5層CF/PP的二維CT圖像，分別選取9個(gè)觀測(cè)點(diǎn)記錄其纖維角度變化情況，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部CF/PP片材發(fā)生了明顯的剪切變形，正交織物變?yōu)榉钦?，?duì)于第4層和第5層CF/PP而言，最大剪切角和最小剪切角約為10.5°(第5層)和7°(第4層)。由于試樣平整度不均勻，個(gè)別觀測(cè)點(diǎn)所在區(qū)域圖片清晰度不高，未能測(cè)量出相應(yīng)的纖維角度。

圖4 Al-CF/PP混合帽型梁的制備工藝示意圖及CT掃描流程圖Fig.4 Schematic diagram of manufacturing process and CT scanning flowchart of Al-CF/PP hybrid hat-shaped rail

圖6 第5層CF/PP的CT切片圖像及其9個(gè)點(diǎn)的纖維角度Fig.6 CT images of the 5th CF/PP and the fiber angles of nine points

2 熱模壓有限元模型介紹

2.1 材料本構(gòu)介紹

2.1.1 Al片材本構(gòu)模型

根據(jù)圖2可以發(fā)現(xiàn)鋁合金片材的單軸拉伸力學(xué)性能與環(huán)境溫度密切相關(guān)，研究表明Johnson-Cook (JC)模型可以較好地表征金屬材料在不同溫度和不同應(yīng)變率下的力學(xué)響應(yīng)特性[33]，因此，本文將采用JC本構(gòu)模型表征鋁合金片材在準(zhǔn)靜態(tài)工況中不同成形溫度下的力學(xué)行為，JC本構(gòu)模型如下式所示：

其中：σ和ε分別是材料的應(yīng)力和應(yīng)變分量；A、B、n為材料在參考溫度和參考速率下待標(biāo)定的參數(shù)；C和m分別是材料與應(yīng)變率相關(guān)和與溫度相關(guān)的參數(shù)；是應(yīng)變率；是用于確定A、B、n的應(yīng)變率；Tmelt為融化溫度；Troom為參考溫度。本文不涉及材料的應(yīng)變率特性，故應(yīng)變率參數(shù)C為0，進(jìn)一步可將式(1)整理為

在室溫和準(zhǔn)靜態(tài)速率下，與溫度相關(guān)的m參數(shù)值為0，進(jìn)一步可將式(2)整理為

根據(jù)圖2中鋁合金片材在室溫下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)參數(shù)擬合的方法能夠標(biāo)定出A、B、n這3個(gè)參數(shù)。進(jìn)一步，為了獲取材料與溫度相關(guān)的參數(shù)m，可將公式(2)整理為下式：

其中：A、B、n的大小已經(jīng)確定，結(jié)合圖2中不同溫度下鋁合金片材的應(yīng)力-應(yīng)變曲線，通過(guò)擬合即可獲得參數(shù)m。A、B、n和m的取值如表2所示。

表2 Al片材的Johnson-Cook (JC)模型材料參數(shù)Table 2 Johnson-Cook (JC) model material properties of the Al sheet

2.1.2 CF/PP預(yù)浸料本構(gòu)模型

CF/PP預(yù)浸料(+45°/-45°)在熱模壓過(guò)程中受到壓邊力的作用，將由初始的正交構(gòu)型逐漸變?yōu)榉钦粯?gòu)型，織物變形示意圖如圖7所示。為了便于追蹤纖維束的方向變化，分別構(gòu)造兩套材料坐標(biāo)系，即局部正交坐標(biāo)系和纖維坐標(biāo)系局部正交坐標(biāo)系跟隨織物材料運(yùn)動(dòng)且始終保持正交構(gòu)型，而纖維坐標(biāo)系將隨著織物的剪切變形由正交變?yōu)榉钦粯?gòu)型。

圖7 纖維剪切變形示意圖Fig.7 Schematic diagram of the fiber yarn shear deformation

本文中采用次彈性本構(gòu)模型描述織物的剪切變形行為，次彈性本構(gòu)模型可以表示為[34]

通過(guò)解耦變形梯度(F)可得：

其中：U為右拉伸張量；R為剛度旋轉(zhuǎn)矩陣。

其中，代表局部正交坐標(biāo)系的初始方向。

其中，為纖維初始方向。

沿纖維方向的應(yīng)變?cè)隽靠梢源_定：

其中，Q代表正交基與非正交基之間的旋轉(zhuǎn)矩陣。

進(jìn)而沿纖維方向的應(yīng)力增量為

需要注意的是，由于剪切變形主導(dǎo)CF/PP的成形過(guò)程，且不同溫度下CF/PP的力學(xué)響應(yīng)不同(圖3)，因此，CF/PP預(yù)浸料與溫度相關(guān)的剪切剛度(C33)可以通過(guò)下式計(jì)算獲得[34]：

其中：γ是剪切角度；T是成形溫度；T0是參考溫度；a1、a2、a3、a4和a5分別是擬合系數(shù)。根據(jù)圖3中不同溫度下CF/PP的剪切應(yīng)力-角度曲線，結(jié)合式(11)，采用Levenberg-Marquardt迭代算法可以擬合并求出上述5個(gè)參數(shù)，如表3所示，相應(yīng)的擬合曲面如圖3所示。

表3 CF/PP預(yù)浸料的次彈性模型參數(shù)Table 3 Hypoelastic model parameters of the CF/PP prepreg

最終全局坐標(biāo)系下的應(yīng)力更新表示為

2.1.3 層間材料本構(gòu)模型

由于聚丙烯樹(shù)脂熱熔冷固的物理特性，冷卻后CF/PP和Al片材之間將存在膠層作用，因此，在熱模壓成形仿真過(guò)程中，除了考慮Al片材的塑性變形和CF/PP的非正交剪切變形以外，還需要考慮Al片材與CF/PP預(yù)浸料之間的界面變形行為。以往的研究表明，內(nèi)聚力模型可以較好地表征復(fù)合材料層間界面的變形行為[35]。因此，本文將利用ABAQUS中內(nèi)置的基于面接觸的內(nèi)聚力(Cohesive) 本構(gòu)模型模擬Al片材與CF/PP預(yù)浸料在熱模壓中的層間變形行為，內(nèi)聚力模型的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可通過(guò)下式獲得[35]：

其中：t是牽引力；K是剛度，δ是分離位移；下標(biāo)n、s和t分別代表法向、橫向剪切和縱向剪切3種層間失效模式。

采用最大應(yīng)力失效準(zhǔn)則作為內(nèi)聚力模型的失效判斷，失效后采用基于分離位移的線性損傷演化模型對(duì)其剛度折減，失效準(zhǔn)則表達(dá)式如下[35]：

其中，、和分別表示法向、橫向剪切和縱向剪切失效模式下的峰值接觸應(yīng)力[35]。

由于本文中所用的Al片材與CF/PP片材的厚度較薄(約為0.3 mm)，且高溫下熔融CF/PP與Al片材間的膠層含量難以準(zhǔn)確測(cè)量，故本文尚無(wú)法在高溫條件下精確開(kāi)展Al片材與CF/PP片材的層間界面參數(shù)標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，所用的內(nèi)聚力模型參數(shù)主要通過(guò)反復(fù)調(diào)試確定，如表4所示。

表4 Al片材與CF/PP片材界面材料的粘膠參數(shù)Table 4 Cohesive parameters of the interface material between Al sheets and CF/PP sheets

2.2 有限元模型介紹

圖8展示了基于ABAQUS構(gòu)建的Al-CF/PP混合帽型梁的模壓成形有限元模型。有限元模型中的凸模、凹模和壓邊圈部件被剛性單元離散，單元大小為10 mm×10 mm；Al和CF/PP材料采用單層殼單元逐層離散建模，單元大小均為5 mm×5 mm；Al與CF/PP片材的層間接觸行為采用基于面接觸的Cohesive建模方法模擬，接觸參數(shù)如表4所示。Al與溫度相關(guān)的JC模型材料參數(shù)如表2所示，CF/PP與溫度相關(guān)的次彈性模型材料參數(shù)如表3所示。模擬過(guò)程分為兩個(gè)分析步，第一步中凸模、凹模和下壓邊圈均保持靜止，上壓邊圈向下移動(dòng)將Al-CF/PP混合板料邊緣部分壓入下壓邊圈的凹槽中；隨后模型進(jìn)入第二步，此時(shí)上下壓邊圈保持不動(dòng)，凹模仍然處于靜止，凸模開(kāi)始向下運(yùn)動(dòng)將Al-CF/PP混合板料壓入凹模中，直至整個(gè)模擬過(guò)程結(jié)束。模型統(tǒng)一采用通用接觸算法模擬模具與板料的摩擦行為，由于當(dāng)前研究尚無(wú)法獲取板料與模具在不同高溫環(huán)境下準(zhǔn)確的摩擦系數(shù)，經(jīng)反復(fù)調(diào)試，本文所用摩擦系數(shù)為0.14。

圖8 Al-CF/PP混合梁的有限元模型Fig.8 Finite element model of the Al-CF/PP hybrid rail

3 有限元模型驗(yàn)證及討論

3.1 有限元模型驗(yàn)證

3.1.1 成形輪廓對(duì)比

圖9對(duì)比了實(shí)驗(yàn)與仿真得到的Al-CF/PP混合梁的成形輪廓?？梢钥吹皆趬哼吜Φ募s束作用下，大部分Al片材以塑性變形為主，CF/PP片材則主要發(fā)生了剪切變形，混合梁兩側(cè)的材料向中間位置發(fā)生了輕微的滑動(dòng)，仿真預(yù)測(cè)的成形輪廓在左側(cè)、上側(cè)及下側(cè)均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本吻合，但是右側(cè)輪廓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果差異明顯，原因在于本文通過(guò)手動(dòng)預(yù)緊螺栓從而鎖緊壓邊圈，手動(dòng)操作可能導(dǎo)致板料兩側(cè)的壓邊力存在差異，進(jìn)而導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)中兩側(cè)的板料滑移距離不同。雖然本文在壓邊圈兩側(cè)各設(shè)置了兩條凹槽型的壓邊筋防止材料滑動(dòng)和抑制起皺缺陷(圖4)，但由于板料包含的層數(shù)較多(4層Al片材和4層CF/PP片材)，而且Al片材的材料剛度遠(yuǎn)高于CF/PP的抗剪切剛度(圖2和圖3)，導(dǎo)致壓邊筋難以將板料完全約束。

圖9 實(shí)驗(yàn)與仿真之間的Al-CF/PP混合梁成形輪廓對(duì)比Fig.9 Comparisons in forming profiles of the Al-CF/PP hybrid rail between experiment and simulation

3.1.2 纖維剪切角對(duì)比

圖10和圖11分別對(duì)比了有限元(FEA)預(yù)測(cè)和計(jì)算掃描(CT)獲得的第4層(Ply-4)和第5層(Ply-5) CF/PP片材成形后的纖維角度變化差異。表5列出了不同觀測(cè)點(diǎn)處的纖維角度具體數(shù)值及相應(yīng)的預(yù)測(cè)誤差。對(duì)于第4層CF/PP片材，由于CT掃描結(jié)果中的B、H和C點(diǎn)處的圖像模糊，無(wú)法觀測(cè)其對(duì)應(yīng)的纖維角度變化，因此主要對(duì)比了剩余觀測(cè)點(diǎn)處的纖維角度變化?？梢钥吹接邢拊A(yù)測(cè)的A、D、G和E點(diǎn)處的纖維角度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差均不超過(guò)4%；但是F和I點(diǎn)處預(yù)測(cè)的纖維角度比實(shí)驗(yàn)結(jié)果大的多，誤差在15%左右，原因在于有限元模型沒(méi)有考慮實(shí)際過(guò)程中成形溫度的波動(dòng)，成形溫度的波動(dòng)可能造成CF/PP試樣剪切剛度的波動(dòng)；還有，現(xiàn)實(shí)中連續(xù)狀態(tài)的CF/PP片材在有限元模型中被離散化處理，成形中各個(gè)單元材料積分點(diǎn)處的纖維方向可能不再連續(xù)，也將造成預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在一定的誤差。同樣的，對(duì)于第5層CF/PP片材，對(duì)比發(fā)現(xiàn)仿真預(yù)測(cè)的A'、D'、E'、F'、G'和I'點(diǎn)處的纖維角度變化均與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合較好，誤差均小于3%。

圖10 實(shí)驗(yàn)與仿真之間關(guān)于第4層中不同點(diǎn)處的纖維角度變化對(duì)比Fig.10 Comparisons in fiber angle variations in different points of the 4th layer between experiment and simulation

圖11 實(shí)驗(yàn)與仿真之間關(guān)于第5層中不同點(diǎn)處的纖維角度變化對(duì)比Fig.11 Comparisons in fiber angle variations in different points of the 5th layer between experiment and simulation

表5 CT測(cè)試和FEA預(yù)測(cè)中第4層和第5層中不同點(diǎn)處的纖維角變化對(duì)比Table 5 Comparisons in fiber angle variations in different points of 4th and 5th layers between CT test and FEA prediction

需要注意的是，仿真結(jié)果顯示同一CF/PP層內(nèi)不同位置處的纖維夾角變化并不完全相同，相似的現(xiàn)象在CT結(jié)果中也能看到[1]，但是二者產(chǎn)生的原因并不相同。盡管實(shí)際成形中CF/PP片材中的碳纖維始終保持連續(xù)狀態(tài)，理論上成形過(guò)程中同一層內(nèi)不同位置處的纖維夾角變化應(yīng)該完全相同，但是碳纖維織物中存在大量的縫隙，剪切變形過(guò)程中碳纖維材料除了發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和剪切變形外，還可能在層間應(yīng)力的作用下發(fā)生輕微的滑移和彎曲變形，上述位置處的纖維剪切變形將被削弱，進(jìn)而導(dǎo)致纖維夾角變小。盡管仿真模型中沒(méi)有考慮纖維的滑移和彎曲變形，但如上所述，連續(xù)纖維被離散化處理，導(dǎo)致成形過(guò)程中不同單元中材料積分點(diǎn)上的纖維夾角變化也不相同。

3.2 成形結(jié)果討論

3.2.1 Al片材減薄特性

圖12展示了仿真模擬得到的Al-CF/PP混合梁中4層Al片材的厚度減薄變化情況。從圖12(a)可以看出，所有Al片材均發(fā)生了厚度減薄現(xiàn)象，厚度減薄的位置主要集中在壓邊筋附近，主要原因是壓邊筋增加了材料流動(dòng)的阻力，其曲率過(guò)渡區(qū)附近的材料發(fā)生了更顯著的塑性變形；而最底層的Al片材(Ply-8)在中間底部的曲率過(guò)渡位置處也發(fā)生了輕微的厚度減薄，主要原因是相比于上方的片材，最底部的Al片材在彎曲過(guò)程中發(fā)生了更顯著的拉伸變形，材料流動(dòng)更充分。圖12(b)展示了最頂層(Ply-1)和最底層(Ply-8)的Al片材在整個(gè)成形過(guò)程中的厚度減薄變形情況，可以看到在壓邊圈壓緊時(shí)，Al片材并無(wú)發(fā)生厚度減薄，整體厚度均為初始厚度0.3 mm；隨著凸模向下運(yùn)動(dòng)，Al片材開(kāi)始被壓入凹模并發(fā)生塑性變形，此時(shí)壓邊筋附近的Al材料伴發(fā)生塑性變形的同時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)輕微的厚度減薄變形，隨著Al片材被不斷壓入凹模中，在壓邊力的作用下，更多的Al片材發(fā)生了更顯著的塑性變形，與此同時(shí)，壓邊筋附近發(fā)生厚度減薄變形的Al材料也有所增加。

圖12 Al片材的厚度減薄對(duì)比Fig.12 Comparisons in thickness thinning of Al sheets

3.2.2 CF/PP片材剪切特性

圖13對(duì)比了Al-CF/PP混合梁中4層CF/PP片材在不同深度下的剪切變形特性。當(dāng)壓邊圈合緊時(shí)，所有CF/PP片材均發(fā)生了輕微的剪切變形，剪切角度大小接近0°；隨著凸模開(kāi)始向下移動(dòng)，在壓邊力的約束作用下，CF/PP片材開(kāi)始發(fā)生明顯的剪切變形，隨著凸模繼續(xù)向下移動(dòng)，越來(lái)越多的CF/PP材料被壓入凹模中，隨著成形深度的不斷增加，CF/PP片材發(fā)生了更顯著的剪切變形，剪切集中帶沿+45°/-45°方向分布；成形過(guò)程的中后期，CF/PP片材的剪切變形達(dá)到最大，最大剪切角超過(guò)10°。

圖13 CF/PP層的剪切變化對(duì)比Fig.13 Comparisons in shear angle variations of CF/PP layers

3.2.3 Al-CF/PP層間失效特性

圖14(a)展示了CT掃描獲得的Al-CF/PP帽型梁中間位置的分層形貌，可以看到其截面位置處9個(gè)不同觀測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)了不同程度的分層失效，仿真結(jié)果中同樣發(fā)現(xiàn)相應(yīng)截面處的9個(gè)點(diǎn)位均出現(xiàn)了明顯的膠層失效。圖14(b)展示了混合梁內(nèi)部第2層(CF/PP)、第4層(CF/PP)和第6層(Al)片材的界面失效情況，可以發(fā)現(xiàn)所有片材表面均發(fā)生了大面積的界面失效，與CT掃描得到的結(jié)果基本一致[1]，表明仿真所采用的粘膠模型可以較好地模擬Al-CF/PP混合帽型梁成形過(guò)程中的分層失效。盡管如此，當(dāng)前本文所用的粘膠材料參數(shù)主要是通過(guò)引用和反復(fù)調(diào)試獲得，后續(xù)研究仍需要通過(guò)開(kāi)展不同高溫條件下的界面材料參數(shù)測(cè)試，才能夠建立更準(zhǔn)確的Al-CF/PP混合管件的熱壓成形有限元模型。本文所建立的數(shù)值模型為后續(xù)繼續(xù)完善Al-CF/PP混合帽型梁熱成形有限元模型提供了一定的支撐。

圖14 Al-CF/PP帽型梁內(nèi)部片材的界面失效對(duì)比Fig.14 Comparisons in interface failure of inner sheets of the Al-CF/PP hybrid rail

4 結(jié) 論

通過(guò)熱模壓成型工藝制備了由鋁合金(Al)片材和碳纖維增強(qiáng)聚丙烯(CF/PP)預(yù)浸料組成的Al-CF/PP混合帽型梁，利用X-ray CT無(wú)損檢測(cè)技術(shù)表征了混合帽型梁內(nèi)部CF/PP層板的纖維夾角變化情況，構(gòu)建了Al-CF/PP混合帽型梁的熱模壓有限元模型并驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性，進(jìn)一步利用數(shù)值模型研究了Al-CF/PP混合梁的成形特性，主要結(jié)論如下：

(1) Al-CF/PP混合帽型梁內(nèi)部的CF/PP層板在壓邊力作用下發(fā)生了明顯的剪切變形，纖維夾角由正交構(gòu)型變?yōu)榉钦粯?gòu)型，成形后的最大剪切角約為11°；

(2) 基于Johnson-Cook (JC)本構(gòu)模型，開(kāi)展不同溫度下的單軸拉伸實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定了Al片材與溫度相關(guān)的材料參數(shù)；基于次彈性本構(gòu)模型，開(kāi)展不同溫度下的偏軸拉伸實(shí)驗(yàn)，標(biāo)定了CF/PP片材與溫度相關(guān)的材料參數(shù)；采用基于面接觸的內(nèi)聚力模型模擬Al片材與CF/PP片材的層間接觸行為，通過(guò)多層建模方式構(gòu)建了可靠的Al-CF/PP熱成形有限元模型；

(3) 有限元模型所預(yù)測(cè)的Al-CF/PP混合梁內(nèi)部的纖維角度變化與實(shí)驗(yàn)結(jié)果整體吻合較好，但仍有少數(shù)觀測(cè)點(diǎn)處的仿真結(jié)果超過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，最大誤差約為15%，原因是有限元模型尚未考慮實(shí)際成形中環(huán)境溫度的波動(dòng)，而且有限元模型中的摩擦系數(shù)和層間內(nèi)聚力參數(shù)尚未通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段準(zhǔn)確標(biāo)定，本文主要通過(guò)反復(fù)調(diào)試獲得；

(4) 仿真結(jié)果表明所有Al片材在成形過(guò)程中均發(fā)生了輕微的厚度減薄變形，主要集中在壓邊筋附近；所有CF/PP片材均發(fā)生了明顯的剪切變形，最大剪切角超過(guò)10°；Al與CF/PP片材之間的界面材料出現(xiàn)了大面積的失效和損傷，與CT掃描結(jié)果基本吻合，但界面材料參數(shù)仍需在后續(xù)的研究中通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段準(zhǔn)確標(biāo)定，為后續(xù)開(kāi)展其成形性能優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更準(zhǔn)確的數(shù)值模型。