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
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1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
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