基于有限元模拟的碳纤维复合材料层合板拉伸失效机理分析.pdf

碳纤维增强树脂复合材料具有高比强度、良好的耐腐蚀性在汽车轻量化研究中受到很大重视 设计了三种不同铺层方式的碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板(单向铺层()各向同性铺层(/)有取向铺层(/)研究其拉伸破坏形式并结合有限元模拟进行分析验证 结果表明拉伸强度与模量主要取决于层合板中沿拉伸方向排列的纤维层数量占比占比越高拉伸强度与模量越大 不同角度铺层呈现不同破坏形式断裂时 层纤维与基体均发生破坏层与 层断裂主要以基体开裂为主层间结合较好的情况下层和 层会受到相邻层的影响发生剪切破坏 有限元模拟结果与试验结果匹配度较高为后续建立汽车零件级产品失效模式评估系统奠定了基础关键词:有限元 碳纤维 层合板 力学性能 失效机理中图分类号:文献标志码:文章编号:()引言习近平总书记在 年 月 日举办的第 届联合国大会上宣布“中国力争 年前二氧化碳排放达到峰值努力争取 年前实现碳中和”汽车产业作为横跨工业、交通、能源等主要终端能耗部门的产业是全国碳排放的重要来源汽车行业走低碳发展路线是实现国家“双碳”目标的重要举措 由中国汽车技术研究中心估算得出中国的汽车碳排放约占全国总碳排放的.其中约 来源于汽柴油等化石燃料的燃烧占整个交通领域的 以上 燃料的消耗与汽车的重量成正比 根据美国能源部和其他相关部门的数据汽车总重量每减少 燃料消耗量将减少 至 废气排放量将减少 至 汽车轻量化技术作为解决高速发展的汽车工业所带来的巨大能源消耗和汽车尾气排放等问题的最有效技术之一近年来得到了蓬勃的发展碳纤维增强树脂复合材料()具有高比强度、良好的耐腐蚀性和优异的可设计性在汽车轻量化研究中受到很大重视 然而 在实际使用的过程中往往需要采用不同的铺层方式以应用在不同的车辆部件中 因此建立一个能够预测车辆 失效模式的评估系统包括原材料的力学性能、设计方法、仿真等要素可以提高整车轻量化设计和优化的效率本研究选择碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板与重庆长安汽车股份有限公司共同进行铺层设计最终确定三种铺层方式的层合板进行了拉伸性能测试以获得不同铺层设计层合板的拉伸失效机理 同时使用有限元软件 进行拉伸模拟将模拟结果与实际失效模式进行对比为后续建立汽车零件级产品失效模式评估系统奠定了基础本研究中关于复合材料层合板的失效形式考虑了纤维拉伸失效(纤维在张力下断裂)纤维压缩失效(压缩中的纤维发生屈曲和扭结)基体拉伸失效(基体在横向张力和剪切作用下开裂)基体压缩失效(基体在横向压缩和剪切下发生基质破碎)判据采用二维 准则启动标准第 期基于有限元模拟的碳纤维复合材料层合板拉伸失效机理分析如下:纤维拉伸失效 ():()纤维压缩失效 ():()基体拉伸失效 ():()基体压缩失效 ():()式中:表示纵向抗拉强度 表示纵向抗压强度 表示横向抗拉强度 表示横向抗压强度 表示纵向剪切强度 表示横向剪切强度 是一个决定剪切应力对纤维拉伸起始准则贡献的系数 表示层合板纵向正应力 表示层合板横向正应力 表示层合板面内剪切应力 试验与有限元设计.材料碳纤维预浸料(碳纤维/晋飞 环氧树脂)树脂含量 厚度.分别设计了单向试样()各向同性试样(/)以及有取向试样(/)三种不同铺层方式的层合板.拉伸力学性能测试拉伸试验参考标准:单向试样尺寸为 .单向试样配有加强片加强片尺寸为 .各向同性和有取向试样尺寸为 .每种试样测试三次所有试样在测试前均在 和 的相对湿度下处理 小时 测试中使用跨距长度为 的引伸计测量跨距内应变以 /的加载速率进行准静态试验.数字图像技术测试 数字图像相关法(也称数字散斑相关法)是一种针对试样表面的光学检测技术原理是采集试样表面油漆散斑在不同时间的数字图片通过对比相邻时间的散斑图捕捉到散斑特征点位置的变化从而计算出试样各个部位应变变化情况生成应变的云图直观显示本研究针对单向试样进行了 数字图像技术测试捕获其应变分布云图测试环境如图 所示图 数字图像测试环境.有限元建模及条件在 软件中分别建立单向、各向同性、有取向三种铺层层合板模型模拟准静态拉伸试验使用二维 失效准则材料属性定义如表 所示其中、分别表示纵向、横向拉伸模量 表示泊松比 表示对应方向的剪切模量 表示剪切强度表 单层板力学性能/参照拉伸试验结果./参照拉伸试验结果 图 所示为单向铺层模型 指派网格控制属性为“六面体扫掠网格”扫掠路径定义为厚度方向单元类型选择“连续壳”网格尺寸为“”建立两个“节点集”分别对应部件距左右两端 内全部节点在部件左右两端建立两个参考点分别将参考点与同侧“节点集”进行“耦合绑定”纺织科学与工程学报 年 月建立“静力通用”分析步时间长度设置“”关闭“几何非线性”开关 最大增量步数设置“”增量步大小初始为“.”最小为“”最大为“.”对左参考点施加“完全固定”约束全部位移和转动自由度 对右参考点施加 方向上的位移创建场输出作用域选择“复合材料接合部”频率选择“每 个时间单位”.输出变量选择“”创建历程输出作用域选择施加位移的右参考点频率选择“每 个时间单位”.输出变量选择“”提交作业图 单向铺层模型 结果与讨论.拉伸曲线与性能分析三种碳纤维层合板拉伸载荷位移曲线如图 所示三种试样的载荷均随位移增大线性增长达到最大值后瞬间破坏 只是单向试样在达到载荷峰值前出现几次锯齿状波动可以在单向样品的最外层观察到部分开裂 从曲线可以看到有取向试样与单向试样的断裂伸长率基本一致均高于各向同性试样 从表 中数据可以看出三种试样中单向试样的强度和模量均为最大值有取向试样次之各向同性试样最小 单向铺层层合板每一层所有纤维均沿拉伸方向排列承力效果最好有取向试样由于比各向同性试样多了两层 纤维层沿拉伸方向排列的纤维数量占比多于各向同性试样故其强度和模量均高于各向同性试样对比实验测试值表 中汇总的单向、各向同性、有取向试样模拟强度分别为:.模拟强度与试验强度分别相差“.”“.”“.”图 拉伸载荷位移曲线表 层合板拉伸测试结果试样名称试样铺层方式模量/试验强度/模拟强度/单向试样.各向同性试样/.有取向试样/.拉伸形貌与有限元结果对比分析有限元损伤模拟结果中夹持部分无损伤发生故本文仅展示中间段损伤云图其中浅色部分表示层合板未发生对应的损伤深色部分表示层合板产生了对应的损伤.单向试样单向试样拉伸过程与结果如图()所示在测试过程中试样外观无明显变化临近断裂时最外层首先在某端加强片附近发生断裂()随后裂纹逐渐向试样中部扩展直至另一端形成条状断裂的纤维束片()最终试样呈爆炸状破坏断裂处集中在试样中部以及两端加强片附近 其破坏后试样上仅保留了部分条状纤维束片()其余部分均发生飞溅()拉伸过程与结果()最外层纤维拉伸断裂损伤云图图 单向试样拉伸试验过程与模拟失效云图第 期基于有限元模拟的碳纤维复合材料层合板拉伸失效机理分析有限元损伤模拟部分图()为单向试样最外层纤维拉伸断裂损伤云图此种失效起始于试样断裂前瞬间发生在试样两侧靠近加强片的位置()随后向中心扩展直至汇聚()形成条状失效区域随后发生断裂模拟结果与实际结果匹配度较高单向试样表面层 测试结果以及试样拉伸应变云图分别如图()和()所示浅色部分对应较小的应变值深色部分对应较大的应变值两组图片均可以看出在拉伸过程中较大的应变值总是先出现在两端加强片附近位置随后向试样中部扩散直至汇聚()测试应变云图()最外层应变云图图 单向试样 与模拟应变云图.各向同性试样各向同性试样拉伸测试过程中层与层之间出现分层现象临近断裂时在靠近边缘的位置发生开裂()随后试样呈爆炸状破坏与单向样品不同各向同性的样品基本无材料飞溅断裂处集中在试样中部或两端夹头附近断裂位置不固定 图 展示了断裂后的各向同性试样可以观察到纤维层在夹头附近发生断裂()试样出现明显分层现象层内 和纤维层分别出现对应铺层角度的斜向开裂情况纤维层主要发生横向开裂伴随部分沿方向的剪切破坏形式有限元损伤模拟中层基体在拉伸位移达到 断裂伸长率时开始发生拉伸失效层基体在 断裂伸长率时开始发生拉伸失效但由于此时 层起主要承力作用和 层未发生损伤演化 发生断裂时层纤维同时发生纤维拉伸失效(图()与基体压缩失效(图()其中纤维拉伸失效呈条形阶梯状分布基体压缩失效呈斜向分布断裂位置与试验中 层匹配但未出现试验中锯齿状不规则分布结果判断试验样品层与 层界面结合较差导致 层几乎未受到层的影响 断裂时 层发生了沿方向的纤维压缩失效(图()该结果与试验结果吻合图 各向同性试样拉伸试验过程与结果()层纤维拉伸()层基体压缩()层纤维压缩图 各向同性模型失效云图.有取向试样有取向试样拉伸测试过程中未观察到层与层之间的分层现象临近断裂时如下页图 所示在靠近边缘的位置发生极少量的沿拉伸方向的开裂()随后试样在上夹头附近发生爆炸状破坏类似各向同性试样有取向试样也基本无材料飞溅可以明显观察到最外层发生 方向劈裂破坏后试样最外层 纤维层断裂发生在上夹头附近试样出现明显分层()层内 和纤维层发生对应铺层角度的斜向开裂纤维层出现大量沿 方向的剪切断裂与 层开裂位置相同并伴随少部分横向断裂 最内层 纤维层断裂位置集中在试样两端与中部纺织科学与工程学报 年 月图 有取向试样拉伸试验过程与结果有限元损伤模拟中与 层失效形式和起始时间与各向同性模型一致 发生断裂时层同时发生纤维拉伸失效(图()与基体压缩失效(图()均为 方向分布与试验断裂形状吻合 断裂时 层发生了 方向的纤维压缩失效(图()与试验结果吻合()层纤维拉伸()层基体压缩()层纤维压缩图 有取向模型失效云图 结论本文研究了三种铺层方式的碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板的拉伸力学性能及断裂形貌之间的差异结合有限元仿真模型得到以下结论:()对于仅铺层数量、角度不同的碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板而言拉伸强度与模量主要取决于层合板中沿拉伸方向排列的纤维层数量占比占比越高拉伸强度与模量越大()拉伸过程中碳纤维增强环氧树脂复合材料层合板易在两端夹头附近发生断裂不同角度铺层呈现出不同种破坏形式层为主要承力层断裂时纤维与基体均发生破坏层与 层断裂主要以基体开裂为主 层与层之间结合较好的情况下层和 层会受到相邻层的影响发生剪切破坏()基于二维 准则的有限元模拟可以较好地模拟层合板拉伸破坏过程可以较为准确地判断各层材料在拉伸过程中受到一种或几种失效形式作用最终致使试样断裂模拟结果与试验结果匹配度较高参考文献冉冬晨.碳达峰、碳中和目标下汽车产业发展分析.市场周刊():.():.():.():.:():.:.:.相超周丽宋恩鹏等.拉伸载荷下贴补复合材料层合板的渐进损伤分析.工程力学 ():.(下转第 页)第 期基于深度学习的服装版型栅格图重建 结语本文旨在以 神经网络作为骨架以自搭建的数据集作为训练集在原来 损失函数上加了权重从平均结果上看该模型针对本数据集的预测效果较好其中 (.)(.)(.)(.)由此可见 数值较低接近于 实现了服装版型栅格图到数字化版型的有效转化参考文献 蒋秀英林德静.基于 的服装纸样参数化智能生成.北京服装学院学报:自然科学版():.():.姚竹青.服装结构参数对基本 形女上装廓形的影响研究.上海:东华大学.王静静.青年合体女衬衫个性化样板自动生成研究.杭州:浙江理工大学.:.(.):.(.)(.)(.)(.).:(上接第 页)():().()(/)(/).: