性能分析與控制

高強度鋼與碳纖維混雜復(fù)合材料及力學(xué)性能分析

汽車工業(yè)越來越重視可以提高汽車安全性和燃油效率的環(huán)境友好型材料的應(yīng)用。隨著對生產(chǎn)設(shè)備效率要求的提高，其所需的技術(shù)也在不斷發(fā)展，已有許多研究者對材料的成型過程進行了研究。美國Fan等人在研究采用先進高強度鋼制造零件的方法；加拿大Karbasian介紹了熱沖壓過程的影響因素；德國St?hr T對燃油效率進行了研究，通過使用拼焊板和局部淬火技術(shù)減輕車輛質(zhì)量等。

為了符合環(huán)保法規(guī)，汽車公司開始研究環(huán)保型汽車（如電動汽車、燃料電池汽車）。為實現(xiàn)環(huán)保型汽車輕量化，采用了一些新技術(shù)（如激光拼焊高強度鋼技術(shù)），這樣汽車部件就可以采用高強度鋼、碳纖維混雜復(fù)合材料等。碳纖維增強復(fù)合材料（CFRP）具有極好的強度，且質(zhì)量較輕。然而，該復(fù)合材料低伸長率和低斷裂韌性制約了其在汽車零部件上的應(yīng)用。為了克服這些限制，美國El-Tawil等人對碳纖維與金屬混雜復(fù)合材料的斷裂模式進行研究。研究中，基于ABAQUS軟件將材料斷裂機制應(yīng)用于分析板材成形模擬數(shù)據(jù)。將拉伸試樣和ARAMIS裂隙試樣分別通過一個三維（3D）坐標(biāo)測量機進行拉伸試驗，然后在無潤滑條件下進行測試，裂縫敏感負(fù)荷為0.01t，最終得到斷裂機制。

研究使用的平紋碳纖維材料是用預(yù)浸布（0.25mm厚）和初始環(huán)氧量為35%的樹脂層疊成碳纖維布。研究中，將碳纖維材料取代DP鋼和硼鋼板堆放在CR420鋼板上，以增加強度與質(zhì)量比值。試驗流程為：①未成型零件拉伸試驗；②成型零件拉伸試驗；③碳纖維材料和CR420材料加固后試驗；④碳纖維鋼板和CR420材料加固后軟件模擬；⑤三點彎曲試驗；⑥拉伸試驗。

用兩種CAE方法確定最合適的碳纖維材料增強CR420鋼板方法：①將碳纖維堆疊到CR420鋼板上；②將CFRP堆疊到預(yù)制CR420鋼板上。對這兩種方法進行評價，并進行實際試驗，最終得到基于CAE最合適的模具制造方法，及碳纖維/CR420混雜復(fù)合材料板件的最佳成型工藝。

刊名：Sciencedirect on Composite Structures（英）

刊期：2017年第3期

作者：Min-sik Lee

編譯：徐嘉浩