复合材料波纹夹层结构弯曲性能研究

孙 浩, 赵晓昱

(上海工程技术大学 机械与汽车工程学院, 上海 201620)

随着全球汽车保有量的逐年增加,全球范围内能源匮乏、环境污染等问题日益严重,开发更加轻便、清洁的汽车可有效地减少资源消耗和环境污染,因此,轻量化技术越来越受到各行各业重视.随着科技快速发展,新材料、新技术已被广泛应用于汽车轻量化领域[1].汽车轻量化技术主要有3个途径:一是结构轻量化设计,即优化零部件尺寸;二是轻量化工艺,即采用新型制造工艺;三是采用轻量化材料[2].其中新型材料研究与开发作为汽车轻量化设计的重要途径之一,承担着汽车减重的重要任务,以碳纤维为主的一系列复合材料已经广泛应用于现代汽车各个部位.

曲面波纹夹层板有着优良的可设计性和适应性,在制备前可以根据不同应用需求对其内部夹芯结构和表面形状进行优化设计及多功能、多学科协同设计[3].作为一类重要轻质结构部件,夹芯板在工程应用中已相当普及[4].目前夹层结构已经广泛应用于航空航天轻量化设计中,其优良材料性能以及可设计性也符合汽车轻量化设计要求.为促进夹层结构在汽车领域应用,本文对不同芯层结构复合材料夹层板弯曲性能进行仿真测试,探索其在汽车领域的应用前景.

1 波纹夹层板的设计

波纹夹层板是由2个强度较高的薄面板以及中间轻质波纹芯层组成的一种混杂复合材料夹层结构[5].波纹夹层板凭借高刚度、高强度—重量比以及良好的隔音、绝热和吸能等优势被广泛应用于航空航天、轮船舰艇等领域.

1.1 波纹夹层板结构与尺寸

根据国际标准GB/T 1456—2005《夹层结构弯曲性能试验方法》,试样面板形状要求为长方形,芯子厚度取15 mm.对于蜂窝、波纹等格子型芯子,试样宽度为60 mm,或至少应包括4个完整格子.波纹板芯部有多种几何形状可供选择,包括正弦、三角形、梯形和矩形等[7].为比较不同芯层结构对夹层板弯曲性能的影响,选取梯形、三角形、梯形和余弦形芯层结构作为芯板形状,每种形状芯板均包含4个晶格,具体结构如图1所示.根据各形状特点设计夹层板尺寸,具体参数见表1.

图1 夹层板结构图Fig.1 Sandwich plate structure diagram

1.2 波纹板材料的选择

夹层结构面板是主要承力构件,在受载时要承受面内拉(压)力及面内剪力的作用,因而要有足够强度刚度[7].同时为满足轻量化要求,本文采用碳纤维T700/BA9916作为面板材料,其基本力学性能见表2.夹层结构芯板要求有足够抗剪切 能力和强度,同时又需要具有较低密度.根据2系列铝合金强度高、密度低的特点,选取6061铝合金为芯板材料,其基本力学性能见表3.

表1 夹层板结构尺寸Table 1 Structural dimensions of sandwich plate

表2 T700/BA9916碳纤维的基本力学性能Table 2 Basic mechanical properties of carbon fiber T700/BA9916

表3 6061铝合金基本力学性能Table 3 Basic mechanical properties of aluminum alloy 6061

2 三点弯曲试验

夹芯结构在应用中会受到诸多外力载荷,弯曲载荷是部件常见外力载荷之一,三点弯曲则是弯载工况下对部件强度、刚度评判最常见的模式[8].

2.1 三点弯曲试验设计

依据GB/T 1456—2005试验要求,对夹层板板长L、跨距l和外伸臂长度a进行设计,如图2所示,其中L=l+2a,具体数据见表4.按照设计要求以及材料设计具体数据,三点弯曲试验中压头和支撑柱半径均取7.5 mm.

图2 三点弯曲试验示意图Fig.2 Diagram of three-point bending test

表4 试验设计数据Table 4 Experimental design data

2.2 夹层结构弯曲刚度的计算

三点弯曲刚度计算公式为

(1)

式中:D为夹层结构弯曲刚度,N·mm2;ΔP为载荷—挠度曲线初始段载荷增量值,N;f1为对应ΔP的外伸点挠度增量值,mm.

3 ABAQUS有限元仿真

3.1 有限元仿真步骤设置

由于复合材料铺层具有可设计性,考虑到芯层结构抗剪切性能要求以及面板抗压性能要求,在面板皮层设计时采用对称铺层设计,总铺层数为14层,仿真试验中碳纤维面板铺层顺序为[45°/0°/-45°/90°/45°/0°/-45°],如图3所示.波纹夹层板厚度方向尺寸远远小于其他两个方向尺寸,属于薄壁件,因此采用薄壳单元来模拟[9].分析步选取为Static,General(静态通用分析步),分析步时间长度选为1.波纹夹层结构力学性能在很大程度上取决于面板和波纹芯体的连接质量[10].为模拟面板与芯板连接方式,采用ABAQUS仿真软件中相互作用模块下“Tie”约束,可以有效模拟焊接区域连接方式.分析过程中不考虑从面节点自由度,也不需要判断从面节点接触状态,计算时间会大大缩减[11].根据文献[12-13]试验仿真与真实测试结果对比可得,此种模拟方式对试验结果影响很小.由于用于支撑的支撑柱与施加压力的压头均有较高强度与硬度,所以在模拟过程中将其设置为刚体.将支撑柱完全固定,同时给压头施加一个向下速度,以模拟真实载荷加载过程.

图3 面板铺层结构图Fig.3 Structure drawing of panel

3.2 仿真结果

经过ABAQUS软件后处理模块分析,得出各夹层板上下面板以及芯板应力分布状况.选择Tsai-Wu准则进行强度校样计算失效指数.

Tsai-Wu失效准则公式为

2F23σ2σ3+F1σ1+F2σ2+F3σ3<1

(2)

式中:Fi和Fij为应力空间强度参数,i,j=1,2,3;σi为不同方向应力分量.

梯形、三角形、矩形、余弦形芯板发生破坏的后处理图如图4至图7所示,后处理图中包括芯板应力云图、上面板Tsai-Wu失效图、下面板Tsai-Wu失效图以及上下面板中最大失效层.

根据Tsai-Wu失效理论可知,当单元失效指数值大于1时,可以判断该单元已经失效.根据不同芯层结构仿真分析结果可以得出,在三点弯曲试验过程中,铝制芯板和复合材料下面板首先失效,而夹层结构复合材料上面板仍然可以承受载荷.通过分析各芯层结构下面板最大失效层可知,梯形、三角形、矩形上面板中最大失效层为第4层,即方向角为90°的纤维层,余弦形最大失效层出现在第9层即方向角为0°的纤维层.可以得出0°和90°层抗弯曲载荷能力较小,而45°层抗弯曲和剪切能力较强.根据上下面板失效情况分析可得,上面板损伤较轻,所以可以通过优化上面板铺层角度与层数使上下面板同时失效,以减少材料损耗.

图4 梯形后处理结果图Fig.4 Results of trapezoid post processing

图5 三角形后处理结果图Fig.5 Results of triangle post processing

图6 矩形后处理结果图Fig.6 Results of rectangle post processing

4种不同芯层结构夹层板载荷—位移曲线如图8所示.根据式(1)计算出梯形、三角形、矩形和余弦形夹层板弯曲刚度分别为1.83×109、1.90×109、1.96×109和1.81×108N·mm2,计算结果说明矩形夹层板的弯曲性能较为出色,余弦形夹层的弯曲性能最差.

图7 余弦形后处理结果图Fig.7 Results of cosine post processing

图8 载荷—位移图Fig.8 Load-displacement diagram

4 结 语

本文利用ABAQUS仿真软件对不同芯层波纹板进行三点弯曲仿真试验,并以碳纤维复合材料和铝制材料分别作为上下面板和芯板材料进行轻量化设计.试验结果表明,在保持面板材料与芯板材料相同条件下,4种不同芯层结构首先出现失效的部位均为芯板和下面板,且最大失效层在90°与0°层,为增强夹层结构承载能力可增加45°铺层,或者对芯层与下面板进行优化.通过三点弯曲试验计算结果可知,在材料相同条件下,矩形芯板夹层结构具有较高弯曲刚度.