汽车板簧复合材料弯曲应力下的模拟

于杰

摘要：随着对轻量化的要求越来越高，复合材料逐渐被应用在各个领域当中。其中复合材料在汽车的板簧上的应用十分重要。汽车板簧作为轻量化结构汽车悬架系统中的基本弹性部件也是必需的。混合层压板的生产是当前研究的主题。它们的材料性质在很大程度上取决于层的边界层行为，层压结构与相邻的无关层压层的相互作用。这些因素影响混合层压结构中的板簧的动力传递机理。因此，本文用光学仪器以及有限元分析复合材料在弯曲应力下的位移状态，从而为更好的应用在汽车板簧的材料选取中提供理论基础。

关键词：钢;玻璃纤维增强塑料;复合材料

1  三点弯曲试验

三点弯曲测试包括将横截面为矩形或圆形的样品放在弯曲设备上，调整跨度并将样品加载到弯曲测试上，直到达到指定的弯曲或断裂程度。基于各种实验结果，我们假设弯曲变形之前平坦的梁的横截面保持平坦并垂直于弯曲之后的梁的轴线，这是弯曲变形的平面假设。假设样本包含大量纵向纤维：弯曲变形后，下表面附近的纤维伸长，上表面附近的纤维缩短。根据平面假说，纤维状态沿着从下表面到上表面的横截面高度从伸长到压缩逐渐变化，使得中间的纤维层的长度必须保持不变。该层称为中性层。

1.1 混合层压板的应力状态

混合层压板由几种复合材料组成，由于不同的组合，混合层压板具有不同的应力状态。本文的混合层压板由钢和玻璃增强纤维组成，因此层压板的张力状态受钢含量和纤维位置的影响。

根据对称性，假设材料是线性弹性的，则应力和应变在横截面上对称分布。在样品的中间，出现张力和无应变的纤维（中性层）。当载荷应力分布在横截面上时，最大的拉应力或压应力始终出现在弯曲试样的外缘纤维中。通过这种压缩应力变形，试样中只有单个对称分布的层才能达到拉伸或压缩应力。载荷对称地分布在横截面上，最大的拉应力和压应力假定在样品横截面上呈线性。[1]

1.2 有限元模型分析（FEM-ABAQUS）

在纤维层中，纤维层压体是正交各向异性材料。该模型的长度为240mm，宽度为30mm，高度为15mm[2]。层材料分布为：玻璃增强纤维，玻璃增强纤维，玻璃增强纤维，玻璃增强纤维，钢，钢，玻璃增强纤维，玻璃增强纤维，玻璃增强纤维，玻璃增强纤维。层压板下移位移为3.2mm。

图1：最大应力时的位移，样品的四个位置沿Y轴的向下位移。X 0mm平面是样品的中间位置，其他三个平面是沿X轴的正方向截取的。由于对称原理，仅提取样本中间和右侧的数据。Y轴的原点是样品的顶部。从图片中可以看出，平面X+9mm，X+18mm和X+27mm在弯曲过程中线性变化，这表明材料在弯曲过程中线性变形。在样品的中间位置（平面X 0mm），第八层的偏移略有减少，第九层的偏移略有增加，第十层的偏移迅速减小。事实证明，在第八到第十的中间位置试样层在弯曲过程中首先发生形变，因此位移略微向上移动。然后，当发生弯曲时，它将继续向下移动。

1.3 光学测量

本次试验所用的光学仪器为3D测量仪器ARAMIS。ARAMIS是一种非接触式光学3D测量系统。它可以/分析，计算和记录测量对象的变形，运动和动态行为。系统自动确定随时间变化的离散点的坐标。时间分辨率取决于使用频率，可以根据需要设置。可以使用立体相机设置确定3D空间坐标，并在坐标中测量和计算测量对象。该软件清楚地将摄像机图像中的点分配给彼此。这些点是通过将组件与参考点粘合或通过在组件表面喷涂随机图案来建立的。3D坐标随时间变化，因此可以计算位移，应变和其他相关数据，例如速度和加速度。

在试验前需对样品进行表面喷涂，为了使测量结果尽可能精确，需使喷涂表面满足以下要求：

①表面图案随测量对象的变形而变化;

②測量对象上的图案具有良好的对比度;

③表面没有或只有轻微的反射;

④图案足够大，以便相机可以完全分辨出图案。同时，样本足够小，因此存在用于评估的精细计算面网格;

⑤图案是具有变化的灰度值的随机结构，没有大的斑点[3]。

样本喷涂结束后使用Zwick Roell测试机和ARAMIS测量系统进行测量。ARAMIS系统用于确定应力分布以及对应位置的位移。样品上的负载以及力和位移测量值的记录均使用Zwick测试机进行。在开始测量之前，将测量每个喷涂的样品并将其放置在传感器距离中间的水平位置。试样的中间位置位于横杆上，以确保弯曲试验的准确性。试验过程中必须保证ARAMIS和Zwick必须同时启动，以便他们可以衡量整个过程。弯曲过程结束后，必须及时结束测量，以免浪费时间并节省存储空间。以1.6KN的力开始测量。

由于样本位移仅为3.2mm，因此需要将设备与被测样本间的距离减少，这将导致在弯曲过程中会使边界模糊，并导致试验过程中数据丢失。

从图2：ARAMIS测量结果中可以看出，最大挠度约为3.3mm，位于样本的中间。如曲线所示，挠度从中心向右减小。同时，颜色从红色变为蓝色。即，样本中间位置受力最大，挠度最高，因此中间区域显示的颜色也为红色。该图显示了四个单独部分从样品顶部到底部的位移。黑色曲线（平面X+0）是样品的中间位置。红色曲线是从9 mm平面到中间位置向右的偏移，以此类推。由于样本表面的喷涂点和相机之间的距离会在弯曲过程中发生变化，导致某些点不会被扫描到，因此会出现无法测量的点。

2  试验结果对比

3  总结与展望

在这项工作中，模拟和分析了混合层压板在弯曲应力下的一般和局部位移行为。为此，介绍了相关的理论知识。然后基于该理论知识进行建模。为了能够对混合层压板的弯曲做出完整的陈述并在理论和实践之间进行比较，在ABAQUS中建立了数值模型，并使用ARAMIS进行了光学测试。该模型分为两个部分。第一部分是FEM，通过它可以在弯曲过程中精确确定混合层压板的位移和应力。第二部分是光学测量。也可以使用ARAMIS光学测量设备确定相应的应力和位移。

尽管创建并分析了模型，但是在某些方面可以改进模型。在FEM，可以进一步细分网络。在每层之间添加胶水，然后再次选择边界条件。在光学测试中，外部因素的影响，例如，选择一个更合适的特定测试，在喷涂过程中进行更精确的喷涂，并改善采样点的质量。

参考文献：

[1]Grellmann， W.; Seidler， S. Hrsg.： Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag， München， 2015.

[2]DIN EN ISO 178 （2017-06）： Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften （Normentwurf）.

[3]GOM， Pr？覿zise industrielle 3D-Messtechnik， Erfassung Grundwissen， GOM Software 2017 - ARAMIS， Braunschweig， 2017.