孫 浩, 趙曉昱

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院, 上海 201620)

隨著全球汽車保有量的逐年增加,全球范圍內(nèi)能源匱乏、環(huán)境污染等問題日益嚴(yán)重,開發(fā)更加輕便、清潔的汽車可有效地減少資源消耗和環(huán)境污染,因此,輕量化技術(shù)越來越受到各行各業(yè)重視.隨著科技快速發(fā)展,新材料、新技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于汽車輕量化領(lǐng)域[1].汽車輕量化技術(shù)主要有3個途徑:一是結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計,即優(yōu)化零部件尺寸;二是輕量化工藝,即采用新型制造工藝;三是采用輕量化材料[2].其中新型材料研究與開發(fā)作為汽車輕量化設(shè)計的重要途徑之一,承擔(dān)著汽車減重的重要任務(wù),以碳纖維為主的一系列復(fù)合材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代汽車各個部位.

曲面波紋夾層板有著優(yōu)良的可設(shè)計性和適應(yīng)性,在制備前可以根據(jù)不同應(yīng)用需求對其內(nèi)部夾芯結(jié)構(gòu)和表面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計及多功能、多學(xué)科協(xié)同設(shè)計[3].作為一類重要輕質(zhì)結(jié)構(gòu)部件,夾芯板在工程應(yīng)用中已相當(dāng)普及[4].目前夾層結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空航天輕量化設(shè)計中,其優(yōu)良材料性能以及可設(shè)計性也符合汽車輕量化設(shè)計要求.為促進(jìn)夾層結(jié)構(gòu)在汽車領(lǐng)域應(yīng)用,本文對不同芯層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料夾層板彎曲性能進(jìn)行仿真測試,探索其在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景.

1 波紋夾層板的設(shè)計

波紋夾層板是由2個強度較高的薄面板以及中間輕質(zhì)波紋芯層組成的一種混雜復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)[5].波紋夾層板憑借高剛度、高強度—重量比以及良好的隔音、絕熱和吸能等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于航空航天、輪船艦艇等領(lǐng)域.

1.1 波紋夾層板結(jié)構(gòu)與尺寸

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1456—2005《夾層結(jié)構(gòu)彎曲性能試驗方法》,試樣面板形狀要求為長方形,芯子厚度取15 mm.對于蜂窩、波紋等格子型芯子,試樣寬度為60 mm,或至少應(yīng)包括4個完整格子.波紋板芯部有多種幾何形狀可供選擇,包括正弦、三角形、梯形和矩形等[7].為比較不同芯層結(jié)構(gòu)對夾層板彎曲性能的影響,選取梯形、三角形、梯形和余弦形芯層結(jié)構(gòu)作為芯板形狀,每種形狀芯板均包含4個晶格,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示.根據(jù)各形狀特點設(shè)計夾層板尺寸,具體參數(shù)見表1.

圖1 夾層板結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sandwich plate structure diagram

1.2 波紋板材料的選擇

夾層結(jié)構(gòu)面板是主要承力構(gòu)件,在受載時要承受面內(nèi)拉(壓)力及面內(nèi)剪力的作用,因而要有足夠強度剛度[7].同時為滿足輕量化要求,本文采用碳纖維T700/BA9916作為面板材料,其基本力學(xué)性能見表2.夾層結(jié)構(gòu)芯板要求有足夠抗剪切 能力和強度,同時又需要具有較低密度.根據(jù)2系列鋁合金強度高、密度低的特點,選取6061鋁合金為芯板材料,其基本力學(xué)性能見表3.

表1 夾層板結(jié)構(gòu)尺寸Table 1 Structural dimensions of sandwich plate

表2 T700/BA9916碳纖維的基本力學(xué)性能Table 2 Basic mechanical properties of carbon fiber T700/BA9916

表3 6061鋁合金基本力學(xué)性能Table 3 Basic mechanical properties of aluminum alloy 6061

2 三點彎曲試驗

夾芯結(jié)構(gòu)在應(yīng)用中會受到諸多外力載荷,彎曲載荷是部件常見外力載荷之一,三點彎曲則是彎載工況下對部件強度、剛度評判最常見的模式[8].

2.1 三點彎曲試驗設(shè)計

依據(jù)GB/T 1456—2005試驗要求,對夾層板板長L、跨距l(xiāng)和外伸臂長度a進(jìn)行設(shè)計,如圖2所示,其中L=l+2a,具體數(shù)據(jù)見表4.按照設(shè)計要求以及材料設(shè)計具體數(shù)據(jù),三點彎曲試驗中壓頭和支撐柱半徑均取7.5 mm.

圖2 三點彎曲試驗示意圖Fig.2 Diagram of three-point bending test

表4 試驗設(shè)計數(shù)據(jù)Table 4 Experimental design data

2.2 夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度的計算

三點彎曲剛度計算公式為

(1)

式中:D為夾層結(jié)構(gòu)彎曲剛度,N·mm2;ΔP為載荷—撓度曲線初始段載荷增量值,N;f1為對應(yīng)ΔP的外伸點撓度增量值,mm.

3 ABAQUS有限元仿真

3.1 有限元仿真步驟設(shè)置

由于復(fù)合材料鋪層具有可設(shè)計性,考慮到芯層結(jié)構(gòu)抗剪切性能要求以及面板抗壓性能要求,在面板皮層設(shè)計時采用對稱鋪層設(shè)計,總鋪層數(shù)為14層,仿真試驗中碳纖維面板鋪層順序為[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°],如圖3所示.波紋夾層板厚度方向尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其他兩個方向尺寸,屬于薄壁件,因此采用薄殼單元來模擬[9].分析步選取為Static,General(靜態(tài)通用分析步),分析步時間長度選為1.波紋夾層結(jié)構(gòu)力學(xué)性能在很大程度上取決于面板和波紋芯體的連接質(zhì)量[10].為模擬面板與芯板連接方式,采用ABAQUS仿真軟件中相互作用模塊下“Tie”約束,可以有效模擬焊接區(qū)域連接方式.分析過程中不考慮從面節(jié)點自由度,也不需要判斷從面節(jié)點接觸狀態(tài),計算時間會大大縮減[11].根據(jù)文獻(xiàn)[12-13]試驗仿真與真實測試結(jié)果對比可得,此種模擬方式對試驗結(jié)果影響很小.由于用于支撐的支撐柱與施加壓力的壓頭均有較高強度與硬度,所以在模擬過程中將其設(shè)置為剛體.將支撐柱完全固定,同時給壓頭施加一個向下速度,以模擬真實載荷加載過程.

圖3 面板鋪層結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure drawing of panel

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過ABAQUS軟件后處理模塊分析,得出各夾層板上下面板以及芯板應(yīng)力分布狀況.選擇Tsai-Wu準(zhǔn)則進(jìn)行強度校樣計算失效指數(shù).

Tsai-Wu失效準(zhǔn)則公式為

2F23σ2σ3+F1σ1+F2σ2+F3σ3<1

(2)

式中:Fi和Fij為應(yīng)力空間強度參數(shù),i,j=1,2,3;σi為不同方向應(yīng)力分量.

梯形、三角形、矩形、余弦形芯板發(fā)生破壞的后處理圖如圖4至圖7所示,后處理圖中包括芯板應(yīng)力云圖、上面板Tsai-Wu失效圖、下面板Tsai-Wu失效圖以及上下面板中最大失效層.

根據(jù)Tsai-Wu失效理論可知,當(dāng)單元失效指數(shù)值大于1時,可以判斷該單元已經(jīng)失效.根據(jù)不同芯層結(jié)構(gòu)仿真分析結(jié)果可以得出,在三點彎曲試驗過程中,鋁制芯板和復(fù)合材料下面板首先失效,而夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料上面板仍然可以承受載荷.通過分析各芯層結(jié)構(gòu)下面板最大失效層可知,梯形、三角形、矩形上面板中最大失效層為第4層,即方向角為90°的纖維層,余弦形最大失效層出現(xiàn)在第9層即方向角為0°的纖維層.可以得出0°和90°層抗彎曲載荷能力較小,而45°層抗彎曲和剪切能力較強.根據(jù)上下面板失效情況分析可得,上面板損傷較輕,所以可以通過優(yōu)化上面板鋪層角度與層數(shù)使上下面板同時失效,以減少材料損耗.

圖4 梯形后處理結(jié)果圖Fig.4 Results of trapezoid post processing

圖5 三角形后處理結(jié)果圖Fig.5 Results of triangle post processing

圖6 矩形后處理結(jié)果圖Fig.6 Results of rectangle post processing

4種不同芯層結(jié)構(gòu)夾層板載荷—位移曲線如圖8所示.根據(jù)式(1)計算出梯形、三角形、矩形和余弦形夾層板彎曲剛度分別為1.83×109、1.90×109、1.96×109和1.81×108N·mm2,計算結(jié)果說明矩形夾層板的彎曲性能較為出色,余弦形夾層的彎曲性能最差.

圖7 余弦形后處理結(jié)果圖Fig.7 Results of cosine post processing

圖8 載荷—位移圖Fig.8 Load-displacement diagram

4 結(jié) 語

本文利用ABAQUS仿真軟件對不同芯層波紋板進(jìn)行三點彎曲仿真試驗,并以碳纖維復(fù)合材料和鋁制材料分別作為上下面板和芯板材料進(jìn)行輕量化設(shè)計.試驗結(jié)果表明,在保持面板材料與芯板材料相同條件下,4種不同芯層結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)失效的部位均為芯板和下面板,且最大失效層在90°與0°層,為增強夾層結(jié)構(gòu)承載能力可增加45°鋪層,或者對芯層與下面板進(jìn)行優(yōu)化.通過三點彎曲試驗計算結(jié)果可知,在材料相同條件下,矩形芯板夾層結(jié)構(gòu)具有較高彎曲剛度.