張建華，胡寶雨，鄒常豐

(東北林業(yè)大學(xué) 交通學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040)

近年來，國際汽車領(lǐng)域呈現(xiàn)出日新月異的面貌，汽車制造商越來越重視汽車的輕質(zhì)、低耗、低排放以及低成本。以往車輛內(nèi)飾件材料以塑料等為主，這些材料不容易降解，造成很大的環(huán)境污染，木塑復(fù)合材料的出現(xiàn)在一定程度上為解決這一難題提供了可能。與傳統(tǒng)材料相比，木塑復(fù)合材料在剛度、強(qiáng)度、抗疲勞性、抗腐蝕性、阻燃性等方面具有較大的優(yōu)越性，能更好地滿足汽車工業(yè)朝著輕量化、節(jié)能化、高速化以及舒適性、低成本、長壽命、多功能方向的發(fā)展需要。

蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)主要由上、下面板，膠粘劑層與芯層構(gòu)成。蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)作為一種優(yōu)異結(jié)構(gòu)，具有質(zhì)量小、剛度大的特性。此外，它還能夠有效降低振動(dòng)影響、吸收噪音和隔絕熱量，此結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空、航天、船舶、汽車、建筑等領(lǐng)域。使用蜂窩夾層復(fù)合材料，能夠起到降低振動(dòng)幅度、隔絕聲音以及保持溫度的作用。該材料的廣泛使用能夠有效促進(jìn)汽車產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，節(jié)省國內(nèi)鋼材耗損，并減少世界能源壓力。因此，本文主要對(duì)木塑復(fù)合材料采用蜂窩夾層結(jié)構(gòu)制備成蜂窩夾芯板，找出蜂窩夾芯板的最佳形狀尺寸結(jié)構(gòu)，對(duì)其進(jìn)行加工驗(yàn)證，對(duì)應(yīng)用于客車側(cè)圍內(nèi)板提供一定的參考和指導(dǎo)。

1 客車側(cè)圍內(nèi)板參數(shù)建模及有限元分析

本文選擇市面上常用的一款客車為研究對(duì)象。側(cè)圍內(nèi)板的布置基本采用上部插入側(cè)窗包層柱的下延，下部采用長的鋁型材，插入鋁型材型口，兩塊側(cè)板中間也是采用鋁型材。本文中的材料主要采用蜂窩夾芯結(jié)構(gòu)的木塑復(fù)合材料。

本論文在不影響其它參數(shù)的前提下，取客車側(cè)圍板的一部分面積，其中長為L=138.57 mm，寬為T=35 mm。一輛客車側(cè)圍板由6～8塊組成，每塊板的形狀和尺寸大致相同，因而選取一塊板做分析來驗(yàn)證其性能是否滿足要求，在節(jié)省計(jì)算成本的情況下得出結(jié)論。

1.1 正六邊形蜂窩狀?yuàn)A層板的參數(shù)化建模

首先，在三維軟件CATIA中完成參數(shù)化建模。選?。赫咉w的邊長h=10 mm；正六邊體的內(nèi)角a=120°；正六邊體的寬w=2×h×sin(a/2)；正六邊體的厚度b=3 mm；正六邊體的高g=5 mm；內(nèi)側(cè)圍板的長H=m×w；內(nèi)側(cè)圍板的寬W=2×h×n-(n-1)/2×h；正六邊體行數(shù)n為整數(shù)，暫取2；正六邊體列數(shù)m為整數(shù)，暫取6；豎向平移距離s為定值，取24.804；橫向平移距離r=w-b；內(nèi)側(cè)圍板的高G=5 mm，在CATIA中的參數(shù)化編輯，如圖1所示。

接下來，在三維軟件CATIA中進(jìn)行蜂窩狀(正六邊形)的相關(guān)建模，并將其參數(shù)化。最終得到添加下上底板的蜂窩狀?yuàn)A層板建模結(jié)果,如圖2所示。

圖1 側(cè)圍內(nèi)板在CATIA中的參數(shù)化編輯

圖2 添加上下底板的蜂窩狀?yuàn)A層板建模

1.2 有限元模型網(wǎng)格劃分

在三維設(shè)計(jì)軟件CATIA中完成了客車側(cè)圍內(nèi)板模型的參數(shù)化建模，然后將其導(dǎo)入三維分析軟件ANSYS中進(jìn)行有限元分析。進(jìn)行有限元分析的基礎(chǔ)是有限元網(wǎng)格的劃分，因此，其單元質(zhì)量的好壞直接影響到最終求解問題結(jié)果的好壞。網(wǎng)格劃分的過程包括3個(gè)步驟，分別為：

1)定義所建立模型的單元屬性，包括選擇單元類型、選擇實(shí)常數(shù)、添加材料的性質(zhì)(彈性模量、泊松比、密度等)、建立單元坐標(biāo)系以及截面號(hào)等。

2)定義要求的網(wǎng)格生成控制，必須按照網(wǎng)格質(zhì)量要求進(jìn)行控制，生成最終的網(wǎng)格。如果對(duì)最終得到的網(wǎng)格化模型感到不滿意，可以重新定義，重新進(jìn)行網(wǎng)格化劃分。

3)該模型的網(wǎng)格化劃分步驟可分為選擇單元類型，給模型定義了木塑復(fù)合材料的彈性模量、泊松比和密度。

最終得到劃分結(jié)果，如圖3所示。

圖3 有限元模型網(wǎng)格劃分結(jié)果

1.3 有限元模型施加載荷及求解

施加載荷是ANSYS有限元分析中非常重要的步驟，在網(wǎng)格化有限元的分析模型之后，就需要在模型上施加一定的載荷來檢查所建立結(jié)構(gòu)或構(gòu)件對(duì)該載荷條件下的響應(yīng)。對(duì)其設(shè)置位移約束并施加載荷，如圖4所示。

完成上述所有準(zhǔn)備工作之后，就要開始求解，求解結(jié)果如圖5所示。

圖4 有限元模型施加載荷

圖5 求解完成結(jié)果

1.4 復(fù)合板位移云圖分析

前面介紹了正六邊形邊長為10 mm的建模過程，同理，我們分別取邊長為8 mm、20 mm、40 mm、60 mm、80 mm的復(fù)合板進(jìn)行分析，確定它們上下板的板面積相同。由于正六邊形的邊長不同，在面積一定的情況下，蜂窩的數(shù)目不同，給出復(fù)合板總位移云圖，如圖6所示。

圖6 復(fù)合板總位移云圖

由總位移云圖可得表1數(shù)據(jù)。

表1 不同邊長有限元模型總位移最大值 mm

由表1可知，總位移隨邊長的增大而增大，只有在80 mm時(shí)位移有所下降。邊長為8 mm和10 mm復(fù)合板的位移較小，且邊長為8 mm的復(fù)合板位移最小，僅為2.06 mm，性能最好，其余的位移過大，無法運(yùn)用于客車側(cè)圍板.

2 木塑復(fù)合材料的板材加工工藝試驗(yàn)及性能測試

通過有限元的對(duì)比分析可得出最為合適的基于木塑復(fù)合材料的客車側(cè)圍內(nèi)板的結(jié)構(gòu)模型，下面對(duì)木塑復(fù)合材料的板材進(jìn)行試驗(yàn)分析，以完善這種最優(yōu)模型。

2.1 木塑復(fù)合材料板材的制備

分別用30目和80目的標(biāo)準(zhǔn)篩對(duì)木粉分別進(jìn)行篩選，去掉木粉中大小不一的顆粒。然后把篩選后的材料放在恒溫干燥箱中進(jìn)行4 h干燥，從而使木粉的含水量達(dá)到1%～3%之間；然后將木粉、聚乙烯和MAPE以60:40:4的比例進(jìn)行均勻混合，在高速混合機(jī)SHR-A中高速混合10 min，最后將高速混合后的材料加入到擠出機(jī)中(見圖7)，經(jīng)過加熱和加壓處理后，生產(chǎn)出具有一定形態(tài)的混合材料，再通過粉碎造粒機(jī)進(jìn)行粉碎，獲得材料顆粒。最后一步，將混合材料顆粒放到模具中，在160 ℃、2 MPa的環(huán)境下進(jìn)行10 min熱壓，然后進(jìn)行20 min自然冷卻。熱壓模具采用4個(gè)厚度相同的厚度規(guī)和Teflon材料構(gòu)成，最后形成成型的木塑板(見圖8)。

圖7 雙螺桿擠出機(jī)

圖8 木塑試樣板

2.2 木塑復(fù)合材料板材的性能分析

在完成對(duì)木塑板材的制備之后，再對(duì)其性能進(jìn)行分析，包括拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸剪切強(qiáng)度，分別在對(duì)應(yīng)的機(jī)器下完成，不同板厚對(duì)比分析如表2所示。

表2 不同厚度的木塑板性能對(duì)比

由表2可以得出，當(dāng)板厚為15 mm時(shí)，其拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、拉伸剪切強(qiáng)度均為最好，因此，基于木塑復(fù)合材料的客車側(cè)圍內(nèi)板的厚度取15 mm。

2.3 蜂窩狀木塑復(fù)合材料板材的試驗(yàn)分析

2.3.1 平拉強(qiáng)度

把木塑復(fù)合材料板材放到進(jìn)行平拉強(qiáng)度的機(jī)器上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，對(duì)不同高度的模型進(jìn)行試驗(yàn)，最終得到的結(jié)果如表3所示。

表3 不同夾層高度下的平拉強(qiáng)度

由表3可知，當(dāng)夾層高度為10 mm時(shí)，其平拉強(qiáng)度比夾層高度為5 mm、15 mm、20 mm、25 mm、30 mm時(shí)都要好，因此，蜂窩狀木塑復(fù)合材料板材的夾層高度應(yīng)取10 mm。

2.3.2 平壓強(qiáng)度

對(duì)于木塑復(fù)合材料來說，另一個(gè)非常重要的力學(xué)性能指標(biāo)就是平壓強(qiáng)度，其中，壓損階段是一個(gè)吸能過程。但通過其他相關(guān)試驗(yàn)可發(fā)現(xiàn)，材料頂端的局部壓損其實(shí)是材料有了一定的初擾度，在一定程度上影響平壓強(qiáng)度。通過試驗(yàn)最終得到的結(jié)果如表4所示。

表4 不同夾層高度下的平壓強(qiáng)度

由表4可以看出，基本上是隨著夾層高度的減小，平壓強(qiáng)度逐漸變大，但當(dāng)夾層高度為10 mm時(shí)達(dá)到了峰值，說明這時(shí)的平壓強(qiáng)度最大。因此，蜂窩狀木塑復(fù)合材料板材的夾層高度取10 mm。

2.3.3 側(cè)壓強(qiáng)度

側(cè)壓強(qiáng)度是從側(cè)面施加壓力進(jìn)行試驗(yàn)，以側(cè)壓a方向?yàn)閱伟鍣M向受壓為例進(jìn)行說明。不同夾層高度下的側(cè)壓強(qiáng)度如表5所示。

表5 不同夾層高度下的側(cè)壓強(qiáng)度

由表5可知，當(dāng)夾層高度為10 mm時(shí)，其側(cè)壓強(qiáng)度與其它夾層高度相比達(dá)到最好。

2.3.4 靜曲強(qiáng)度

靜曲強(qiáng)度可以模擬客車的側(cè)面受撞情況，因此，進(jìn)行靜曲強(qiáng)度試驗(yàn)十分重要，對(duì)最終將應(yīng)用于實(shí)踐的客車側(cè)圍內(nèi)板具有非常重要的作用，靜曲強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如表6所示。

表6 不同夾層高度下的靜曲強(qiáng)度

由表6可以看出，當(dāng)夾層高度為10 mm時(shí)，其靜曲強(qiáng)度比其它夾層高度的模型要好，當(dāng)夾層高度大于10 mm時(shí)，隨著夾層高度的增高，靜曲強(qiáng)度逐漸降低。

在做完關(guān)于夾層高度的實(shí)驗(yàn)后，可接著進(jìn)行蜂窩狀板材壁厚試驗(yàn)，其分析過程基本與上面類似，分析結(jié)果如表7所示。

表7 木塑表板-蜂窩紙芯板夾層復(fù)合材料力學(xué)性能

由表7可以看出，當(dāng)夾層厚度為10 mm，蜂窩狀木塑復(fù)合材料板材的壁厚為3 mm時(shí)，其力學(xué)性能最好。因此，經(jīng)過一系列參數(shù)化建模、有限元分析以及最終的試驗(yàn)驗(yàn)證，最終得出蜂窩狀木塑復(fù)合材料板材的最優(yōu)尺寸，即蜂窩狀邊長為10 mm，高度為10 mm，厚度為3 mm，圍板的厚度為15 mm。

3 結(jié)束語

木塑復(fù)合材料強(qiáng)度好、吸聲性好、隔振性優(yōu)良且具有環(huán)保性，蜂窩狀?yuàn)A層板強(qiáng)度高、吸聲減震效果好，故考慮其運(yùn)用于客車的側(cè)圍內(nèi)板。本文通過參數(shù)化建模及相應(yīng)的強(qiáng)度試驗(yàn)得到了蜂窩狀木塑復(fù)合材料板材應(yīng)用于客車內(nèi)圍板的最佳尺寸。蜂窩狀?yuàn)A芯的木塑復(fù)合材料在強(qiáng)度等性能方面與客車常用結(jié)構(gòu)相比存在劣勢，但基本可以滿足客車側(cè)圍板的性能要求。但其作為內(nèi)板比常用結(jié)構(gòu)美觀舒適，還能減輕車身質(zhì)量，而且材料本身對(duì)環(huán)境的危害性小，這些優(yōu)勢都為其作為客車側(cè)圍內(nèi)板提供了充足支持。隨著汽車向環(huán)?；⑤p量化、舒適化的方向發(fā)展，木塑復(fù)合基材汽車側(cè)圍內(nèi)板將會(huì)越來越占據(jù)主流地位。

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