亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        基于時(shí)間硬化理論的聚乳酸結(jié)構(gòu)件尺寸穩(wěn)定性分析*

        2019-07-08 12:14:36馬芳武陳實(shí)現(xiàn)蒲永鋒
        汽車工程 2019年6期
        關(guān)鍵詞:聚乳酸蓄電池硬化

        馬芳武,韓 露,陳實(shí)現(xiàn),蒲永鋒,沈 亮

        (吉林大學(xué),汽車仿真與控制國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長(zhǎng)春 130025)

        前言

        環(huán)境和能源問(wèn)題的日益嚴(yán)峻促使汽車產(chǎn)業(yè)向低碳化、生態(tài)化發(fā)展。以生物基材料為基礎(chǔ)的可再生資源制造汽車零部件是實(shí)現(xiàn)汽車生態(tài)化的重要途徑[1]。

        國(guó)內(nèi)外汽車制造商為適應(yīng)汽車生態(tài)化需求,開始進(jìn)行生物基材料研究,定向開發(fā)生物基材料汽車零部件。其中,聚乳酸(PLA)性能優(yōu)良,材料可塑性強(qiáng),成為應(yīng)用最為廣泛的生物基材料。國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)大量研究來(lái)提升聚乳酸的性能,使之達(dá)到現(xiàn)有石油基材料的水平。文獻(xiàn)[2]中發(fā)現(xiàn)通過(guò)加入麻纖維可提高PLA的抗沖擊性能。文獻(xiàn)[3]中研究發(fā)現(xiàn)以碳纖維為增強(qiáng)材料可提高其機(jī)械性能。文獻(xiàn)[4]中通過(guò)增加短碳纖維來(lái)增強(qiáng)材料的機(jī)械性能。文獻(xiàn)[5]中以劍麻纖維為增強(qiáng)材料增強(qiáng)聚乳酸彎曲強(qiáng)度。文獻(xiàn)[6]中通過(guò)雙螺桿擠出共混的方式制備了玻璃纖維增強(qiáng)聚乳酸復(fù)合材料,經(jīng)測(cè)量其韌性大大提高。文獻(xiàn)[7]中通過(guò)增加增塑劑以提高聚乳酸的主要機(jī)械性能使其達(dá)到汽車非金屬的性能要求。文獻(xiàn)[8]中研究通過(guò)添加增塑劑檸檬酸三丁酯(TBC)對(duì)鹵化碳納米管(HNT)改性,與聚乳酸混合,可提高聚乳酸的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[9]中研究通過(guò)增加亞麻纖維可提高聚乳酸的熱穩(wěn)定和拉伸強(qiáng)度??傊?,為提高聚乳酸在汽車產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的可能性,研究人員對(duì)其各方面都進(jìn)行了探索,并取得顯著成效。

        聚乳酸雖然性能優(yōu)良,但也存在一些缺點(diǎn)限制了其在汽車產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用,蠕變特性就是其中之一[10]。學(xué)者們的深入研究表明,在其長(zhǎng)期使用中,蠕變特性須引起足夠的重視[11-12]。

        本文中以商品級(jí)的聚乳酸材料為原料,設(shè)計(jì)現(xiàn)有北汽某款車蓄電池托盤。首先通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化改良原設(shè)計(jì);然后基于時(shí)間硬化理論建立材料蠕變模型;最終通過(guò)有限元分析計(jì)算其在持續(xù)受力條件下的蠕應(yīng)變值。

        1 聚乳酸蓄電池托盤優(yōu)化設(shè)計(jì)

        1.1 材料性能對(duì)比

        以北京汽車股份有限公司某款汽車蓄電池托盤為研究對(duì)象,對(duì)其優(yōu)化設(shè)計(jì)?;诘葎偠壤碚摚镁廴樗岽嬖型斜P材料(PP30)。依據(jù)GB/T 1040—2006等標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量聚乳酸的拉伸性能、彎曲性能、沖擊強(qiáng)度和熱變形溫度,結(jié)果見表1。在機(jī)械性能方面,該材料的拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度等重要性能均高于PP30。

        表1 聚乳酸與PP材料參數(shù)對(duì)比

        1.2 有限元建模

        建立了蓄電池總成的有限元模型,如圖1所示。該蓄電池總成結(jié)構(gòu)主要包括蓄電池、蓄電池托盤和將蓄電池固定在托盤上的鋼片夾。以高階四面體單元對(duì)蓄電池托盤進(jìn)行有限元建模。鋼片夾模型和蓄電池模型以四邊形殼單元和六面體單元建模。單元數(shù)量和材料屬性如表2和表3所示。

        1.3 托盤結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

        經(jīng)材料性能對(duì)比可知,聚乳酸的彈性模量高于PP30。以原有結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu),以等剛度理論為基礎(chǔ),保持螺栓孔和主要部分位置不變,對(duì)零件進(jìn)行優(yōu)化。

        圖1 蓄電池總成有限元模型

        表2 蓄電池有限元模型各部件的單元類型及單元尺寸

        表3 材料的主要力學(xué)性能參數(shù)

        以柔度最小作為目標(biāo),以原蓄電池托盤包絡(luò)面為設(shè)計(jì)變量區(qū)域,定義體積分?jǐn)?shù)響應(yīng)為約束條件,利用OptiStruct對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果對(duì)零件主要受力部位進(jìn)行加強(qiáng)。圖2為根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化后改進(jìn)的蓄電池托盤設(shè)計(jì)。新的設(shè)計(jì)減少原設(shè)計(jì)冗余部分,在螺栓安裝孔處增設(shè)斜向的加強(qiáng)筋。

        優(yōu)化后,托盤最大應(yīng)力由原來(lái)的52.84 MPa降至38.86 MPa,減小了26.5%;優(yōu)化后的托盤最大位移變形從原來(lái)的0.249 mm減至0.2 mm,減小了19.7%。而優(yōu)化后的托盤體積為0.418 m3,托盤質(zhì)量減少了8.5%。

        2 蠕變理論模型

        在低于拉伸強(qiáng)度的應(yīng)力影響下,固體材料產(chǎn)生緩慢永久性的移動(dòng)或者變形的趨勢(shì)稱之為蠕變。在塑料零件長(zhǎng)期負(fù)載時(shí),蠕變特性會(huì)導(dǎo)致零件的關(guān)鍵尺寸變化,使結(jié)構(gòu)件失效,因此本文中從材料本身的蠕變特性出發(fā),以聚乳酸材料的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)推導(dǎo)蠕變數(shù)學(xué)模型,驗(yàn)證有限元模型建模方法和材料蠕變參數(shù)的精確度,最后以實(shí)際車輛載荷校核該零件在發(fā)生蠕變的條件下是否滿足使用要求。

        圖2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的蓄電池托盤模型

        2.1 蠕變基本理論模型

        蠕變理論模型一般分為兩種。其中一種是機(jī)械模型,屬于流變學(xué)模型,它假定高分子材料是一種黏彈性材料,其力學(xué)性質(zhì)介于理想彈性體與理想黏性體之間,可通過(guò)理想彈性和黏性元件的多種組合進(jìn)行模擬,來(lái)描述高聚物復(fù)合材料的黏彈行為。另外一種是經(jīng)驗(yàn)?zāi)P停诟呔畚飶?fù)合材料復(fù)雜的蠕變機(jī)理和應(yīng)力、溫度等眾多外部因素影響下建立蠕變與時(shí)間、應(yīng)力、應(yīng)變和溫度等變量之間的數(shù)學(xué)關(guān)系[13]。本文中采用經(jīng)驗(yàn)?zāi)P?,它根?jù)蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù),得到材料在不同應(yīng)力水平和不同溫度下的蠕變曲線,主要涉及時(shí)間硬化理論、應(yīng)變硬化理論和恒速理論等。

        2.2 時(shí)間硬化理論與數(shù)學(xué)模型

        時(shí)間硬化理論考慮的是時(shí)間因素在蠕變過(guò)程中對(duì)材料硬化產(chǎn)生的主要影響,導(dǎo)致蠕變率降低,而蠕變變形對(duì)材料硬化沒(méi)有影響,該理論適用于應(yīng)力呈單調(diào)或緩慢變化的蠕變現(xiàn)象。本文中以恒定應(yīng)力來(lái)研究蠕變特性,與時(shí)間硬化理論相符,故采用時(shí)間硬化理論模型描述材料的蠕變特性[14]。

        在蠕變過(guò)程中,蠕變率降低表示時(shí)間對(duì)材料硬化的影響較為顯著,從而忽略掉蠕變變形對(duì)材料硬化的影響。由此,其理論公式可描述為:在溫度一定的情況下,應(yīng)力、蠕應(yīng)變率與時(shí)間之間存在一定的關(guān)系,即

        式中:εc為蠕應(yīng)變量為蠕應(yīng)變率;σ為應(yīng)力;t為時(shí)間。當(dāng)溫度一定時(shí),蠕應(yīng)變量εc可以表達(dá)為

        式中f1(σ)和f2(t)分別為應(yīng)力函數(shù)和時(shí)間函數(shù)。其中應(yīng)力函數(shù)采用Norton冪次方法則,該函數(shù)形式與應(yīng)力分析的物理特性一致,函數(shù)形式為

        式中:C1為常數(shù);n為應(yīng)力指數(shù)。

        當(dāng)在恒應(yīng)力載荷作用下,f1(σ)為常數(shù),則時(shí)間函數(shù)f2(t)反映出了蠕變曲線的趨勢(shì),它是與蠕變曲線成一定比例關(guān)系,即

        式中:C2為常數(shù);t為應(yīng)變時(shí)間。

        由式(2)~式(4)聯(lián)立得到時(shí)間硬化理論公式為

        式中A,m,n為材料常數(shù),由材料的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù)擬合來(lái)確定。

        3 聚乳酸材料蠕變實(shí)驗(yàn)與蠕變應(yīng)變模型

        經(jīng)時(shí)間硬化理論描述,需要材料的蠕變?cè)囼?yàn)數(shù)據(jù),用于推導(dǎo)與材料屬性相關(guān)的A,m,n材料常數(shù),從而建立材料蠕變的數(shù)學(xué)模型。利用CRIMS-20 kN電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)(圖3),對(duì)聚乳酸復(fù)合材料進(jìn)行蠕變性能試驗(yàn),試驗(yàn)方法參照ISO899塑料—拉伸蠕變的測(cè)定,試驗(yàn)采用拉伸試驗(yàn)樣件。在常溫環(huán)境條件下加載,并保持恒定的拉伸載荷,載荷持續(xù)作用時(shí)間為72 000 s,并用拉伸計(jì)記錄材料試驗(yàn)樣件在恒定載荷作用過(guò)程中的變形量。

        圖3 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)

        根據(jù)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn),結(jié)合本文實(shí)際情況,設(shè)定蠕變拉伸強(qiáng)度分別為20,30,40和50 MPa。測(cè)得該材料在上述4個(gè)應(yīng)力條件下的蠕變曲線,如圖4所示。材料在加載初期發(fā)生較大變形,但隨著作用時(shí)間的增加,即載荷加載完全后,蠕變?cè)隽恐饾u減小直至蠕變末期,蠕變應(yīng)變量基本保持不變。

        圖4 聚乳酸材料在不同應(yīng)力下蠕變應(yīng)變曲線

        擬合用樣本點(diǎn)見表4,建立蠕變數(shù)學(xué)模型。通過(guò)時(shí)間硬化理論和最小二乘法擬合得到材料在4種應(yīng)力條件下的蠕變材料常數(shù),見表5。表5中4組模型擬合結(jié)果的相關(guān)系數(shù)反映了以時(shí)間硬化理論為基礎(chǔ),在總體上可較好描述聚乳酸材料的蠕變特性。

        表4 擬合用樣本點(diǎn)

        4組不同應(yīng)力下的材料蠕變常數(shù)經(jīng)計(jì)算值得到該材料的蠕變模型,即

        試驗(yàn)數(shù)據(jù)與擬合的數(shù)學(xué)模型曲線對(duì)比如圖5所示。在靜態(tài)加載初期,數(shù)學(xué)模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致性較好;蠕變中期,兩者出現(xiàn)不同趨勢(shì):試驗(yàn)測(cè)得的蠕變應(yīng)變?cè)黾友杆?,且在加載完成后基本達(dá)到蠕變應(yīng)變極值。而數(shù)學(xué)模型中的應(yīng)變值出現(xiàn)小幅增大趨勢(shì),蠕變應(yīng)變?cè)谥衅谂c試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,蠕變應(yīng)變??;蠕變后期,模型的蠕變應(yīng)變基本達(dá)到試驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)得數(shù)值。分析原因,試驗(yàn)數(shù)據(jù)在前期加載蠕變載荷時(shí)雖然使用穩(wěn)態(tài)加載,但也是動(dòng)態(tài)過(guò)程,而時(shí)間硬化理論著重描述材料在后期的蠕變應(yīng)變,描述的是靜態(tài)過(guò)程,所以出現(xiàn)蠕變初期兩者不一致現(xiàn)象。但到蠕變后期,從圖5可以看出,試驗(yàn)呈穩(wěn)態(tài)下,擬合模型與試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有更好的一致性[15-16]。本文中主要針對(duì)零件蠕變后期的尺寸變形進(jìn)行研究,所以時(shí)間硬化理論仍符合。

        表5 材料常數(shù)統(tǒng)計(jì)值和相關(guān)系數(shù)

        圖5 選取的樣本點(diǎn)與擬合模型對(duì)比

        4 有限元建模與實(shí)際載荷蠕變特性分析

        由于蠕變的產(chǎn)生導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件尺寸發(fā)生變化,尤其是某些固定約束位置,一旦發(fā)生變形會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)件松動(dòng),極易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效現(xiàn)象。因此分析非金屬結(jié)構(gòu)件實(shí)際工況的蠕變特性,驗(yàn)證其尺寸穩(wěn)定性和可靠性是開發(fā)非金屬材料結(jié)構(gòu)件的重要環(huán)節(jié)。

        4.1 材料蠕變有限元模擬與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比

        為驗(yàn)證有限元模型建模方法的精確性和材料蠕變參數(shù)在仿真分析時(shí)的準(zhǔn)確性,建立材料蠕變?cè)囼?yàn)的仿真模型,模擬材料在20,30,40和50 MPa應(yīng)力下的蠕變過(guò)程,并將得到的仿真蠕變數(shù)據(jù)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比分析。利用ABAQUS,根據(jù)蠕變?cè)囼?yàn)樣條尺寸建立仿真模型,仿真過(guò)程中采用一端固定約束,另一端施加恒定載荷處理。材料蠕變數(shù)據(jù)均采用上述數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)。設(shè)置蠕變過(guò)程的總時(shí)間為72 000 s。為保證計(jì)算分析的精度,蠕變應(yīng)變?nèi)莶钤O(shè)置為1×10-5。材料蠕變的有限元模型見圖6。

        圖6 材料蠕變?cè)囼?yàn)有限元模型

        應(yīng)變通過(guò)移動(dòng)端位移計(jì)算,得到各應(yīng)力下仿真蠕變數(shù)據(jù),見圖7。對(duì)比圖5可以看出,仿真蠕變曲線與蠕變數(shù)學(xué)模型重合較好。與數(shù)學(xué)模型相同,在蠕變初期與試驗(yàn)數(shù)據(jù)重合性一般,但到蠕變中后期蠕變應(yīng)變的變化趨勢(shì)與試驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。在分析該材料長(zhǎng)期蠕變特性時(shí),后期的蠕變特性是本文關(guān)注點(diǎn),所以,上述有限元模型建模方法和材料蠕變參數(shù)在仿真分析時(shí)的準(zhǔn)確性滿足本文要求[17]。

        圖7 仿真得到材料蠕變數(shù)據(jù)

        4.2 托盤有限元建模與蠕變結(jié)果分析

        應(yīng)用上述建模方法與材料參數(shù)對(duì)蓄電池托盤進(jìn)行蠕變特性分析。同樣的,過(guò)程中為了降低其它非彈性應(yīng)變與蠕變應(yīng)變的耦合程度,將分析問(wèn)題分為靜態(tài)加載過(guò)程和蠕變過(guò)程的分析。

        為保證聚乳酸結(jié)構(gòu)件的尺寸穩(wěn)定性和可靠性,分析托盤的螺栓固定點(diǎn)與金屬片安裝點(diǎn)蠕變應(yīng)變。托盤關(guān)鍵點(diǎn)如圖8所示,即托盤螺栓安裝點(diǎn)和蓄電池固定點(diǎn),分別為5-8。

        圖8 托盤關(guān)鍵點(diǎn)

        隨著載荷作用時(shí)間的積累,蓄電池托盤的位移變形逐漸增大。需要校核該結(jié)構(gòu)件是否因變形量過(guò)大,引起螺栓或蓄電池脫落。首先分析關(guān)鍵點(diǎn)的蠕變行為。如圖9所示,關(guān)鍵部位5點(diǎn)到8點(diǎn)的等效應(yīng)力分別由蠕變前的12.12,4.55,2.0和5.3 MPa減小到蠕變后的7.12,4.1,1.7和4.8 MPa,應(yīng)力隨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸減小,這表明托盤在持續(xù)受力的過(guò)程中發(fā)生了蠕變現(xiàn)象,且伴有應(yīng)力松弛。

        圖9 5-8點(diǎn)應(yīng)力變化曲線

        圖10為5-8點(diǎn)的應(yīng)變曲線。由于蠕變的原因,關(guān)鍵點(diǎn)在各個(gè)方向上有位移產(chǎn)生,這些位移可通過(guò)對(duì)應(yīng)變曲線積分求得。由圖可見,蠕變?cè)诔跗谳^大,但隨著時(shí)間推移蠕變基本保持不變,這也與前面材料的蠕變特性相符合。其中點(diǎn)5處為螺栓的安裝平面位置,當(dāng)點(diǎn)5位置位移量過(guò)大時(shí)會(huì)導(dǎo)致螺栓脫落,造成結(jié)構(gòu)失效。基于以上數(shù)據(jù),計(jì)算得出點(diǎn)5的總位移為0.161 mm,在合理值范圍內(nèi)。

        經(jīng)上述分析,結(jié)構(gòu)件關(guān)鍵點(diǎn)在長(zhǎng)期受載荷過(guò)程中,蠕變應(yīng)變開始增加較快,但經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后蠕變?cè)隽恐饾u減小直到后期基本保持不變,但導(dǎo)致了某些關(guān)鍵位置的尺寸變化,致使尺寸穩(wěn)定性下降。本例中螺栓平面位置經(jīng)蠕變變形后,位移變化了0.161 mm,在安全值范圍內(nèi),滿足設(shè)計(jì)要求。聚乳酸托盤在長(zhǎng)期受載過(guò)程中的尺寸穩(wěn)定性符合設(shè)計(jì)要求。

        圖10 5-8點(diǎn)應(yīng)變變化曲線

        5 結(jié)論

        (1)首先采用聚乳酸材料替換原材料并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,經(jīng)同一工況下對(duì)托盤優(yōu)化分析可得,最大應(yīng)力減小了26.5%,最大位移變形量減小了19.7%,同時(shí)零件質(zhì)量減輕了8.5%。

        (2)聚乳酸材料在蠕變初期應(yīng)變較大,當(dāng)進(jìn)入蠕變中期后,蠕變應(yīng)變基本保持不變。時(shí)間硬化理論模型能夠較為精確地描述聚乳酸材料的蠕變特性。

        (3)結(jié)合時(shí)間硬化理論模型和零件實(shí)際載荷工況分析,建立有限元計(jì)算校核得到長(zhǎng)期受載時(shí),關(guān)鍵位置的最大位移量。經(jīng)計(jì)算為0.161 mm,滿足產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求,證明這種綠色材料滿足產(chǎn)品在尺寸穩(wěn)定性上的設(shè)計(jì)要求。

        猜你喜歡
        聚乳酸蓄電池硬化
        山東:2025年底硬化路鋪到每個(gè)自然村
        Apelin-13在冠狀動(dòng)脈粥樣硬化病變臨床診斷中的應(yīng)用價(jià)值
        磨削硬化殘余應(yīng)力分析與預(yù)測(cè)
        聊聊蓄電池的那點(diǎn)事兒(1) 汽車蓄電池的前世
        蓄電池去哪兒了
        蓄電池去哪兒了?VOL12.雷克薩斯RX450h
        額顳葉癡呆伴肌萎縮側(cè)索硬化1例
        蓄電池去哪兒了?
        聚乳酸的阻燃改性研究進(jìn)展
        可生物降解聚乳酸發(fā)泡材料研究進(jìn)展
        亚洲中文字幕午夜精品| 十八18禁国产精品www| 欧美疯狂做受xxxxx高潮| 亚洲三级在线播放| 日本av一区二区三区四区| 亚洲色一区二区三区四区| 免费观看又色又爽又黄的| 免费无遮挡无码视频在线观看| 大量老肥熟女老女人自拍| 91日韩东京热中文字幕| 性裸交a片一区二区三区| 色丁香久久| 性感人妻av在线播放| 日韩女同精品av在线观看| 久久精品成人无码观看不卡| 国产小毛片| 高清亚洲精品一区二区三区| 久久日日躁夜夜躁狠狠躁| 日本a级黄片免费观看| 亚洲国产成人精品无码区在线秒播| 中文字幕人妻偷伦在线视频| 中日无码精品一区二区三区| 久久熟女精品—区二区蜜臀| 激情综合五月开心婷婷| 天天弄天天模| 午夜久久精品国产亚洲av| 成人av一区二区三区四区| 日韩精品久久久久久免费| 人妻丰满av∨中文久久不卡| av在线网站手机播放| av素人中文字幕在线观看| 亚洲欧美激情在线一区| 国产精品高潮av有码久久| 中文字幕中乱码一区无线精品| 中文字幕国产精品一二三四五区| 在线综合亚洲欧洲综合网站| 国产亚洲美女精品久久| 午夜精品男人天堂av| 少妇人妻精品一区二区三区| 亚洲欧美日韩国产色另类| 日韩日本国产一区二区|