車用單向帶FRT材料及制品力學(xué)性能研究

車用單向帶FRT材料及制品力學(xué)性能研究

報(bào)告人：宋佩駿導(dǎo)師：石憲章副教授背景近年來，隨著汽車產(chǎn)量和保有量的持續(xù)增加，我國面臨的能耗、安全、環(huán)保三大問題日益突出,開發(fā)利用新能源、新材料以保持經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展顯得日益重要。國內(nèi)2009年《汽車產(chǎn)業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》首次提出了我們國家發(fā)展新能源汽車的目標(biāo)，再到2012年《節(jié)能與新能源汽車發(fā)展規(guī)劃（2012-2020年）》，2015年《中國制造2025》和今年4月份的《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》，這些年政府一直在持續(xù)密切的出臺政策推動(dòng)新能源汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2018年1月12日，國務(wù)院副總理馬凱主持召開國家制造強(qiáng)國建設(shè)領(lǐng)導(dǎo)小組會(huì)議，強(qiáng)調(diào)新材料、新能源汽車等重點(diǎn)領(lǐng)域自主創(chuàng)新。汽車輕量化有三種途徑：材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝。面臨的問題選材問題。市場上的單向帶FRT復(fù)合材料種類繁多，具體到一個(gè)產(chǎn)品，采用哪種材料(主要指纖維種類、基體塑料種類、纖維含量等）較好且成本低？制品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能問題。如何進(jìn)行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，既能滿足產(chǎn)品力學(xué)性能要求又能最大限度地減重、增強(qiáng)？

解決問題的方法

1、CAE模擬

2、試驗(yàn)對于復(fù)合材料及其制品而言，因材料組份的種類和含量多變，試驗(yàn)測試的工作量大、成本高，因而對CAE的依賴性更強(qiáng)CAE模擬標(biāo)準(zhǔn)化步驟

1、建立幾何模型2、設(shè)置材料參數(shù)3、設(shè)置單元4、劃分網(wǎng)格5、施加載荷、約束6、分析計(jì)算7、查看結(jié)果56CAE分析材料方向單元坐標(biāo)系方向全局坐標(biāo)系笛卡爾柱坐標(biāo)系球坐標(biāo)系局部坐標(biāo)系笛卡爾柱坐標(biāo)系球坐標(biāo)系工作平面

CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響

CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響單元坐標(biāo)系用于確定材料屬性的方向(例如：復(fù)合材料的鋪層方向)。對后處理也是很很有用的，如提取梁和殼單元的膜力。單元坐標(biāo)系的朝向在單元類型中可以找到。大多數(shù)單元坐標(biāo)系的默認(rèn)方向遵循以下規(guī)則。1、線單元的x軸通常從該單元的I節(jié)點(diǎn)指向J節(jié)點(diǎn)。2、殼單元的x軸通常也取I節(jié)點(diǎn)指向J節(jié)點(diǎn)的方向。Z軸過I點(diǎn)且與殼面垂直，其正方向由單元I、J和K節(jié)點(diǎn)按右手定則來確定，y軸垂直于x軸和z軸。3、二維和三維實(shí)體單元的單元坐標(biāo)系總是平行于總體笛卡爾坐標(biāo)系的。CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響

CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響

CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響制品轉(zhuǎn)90度其它不變制品轉(zhuǎn)90度材料x、y方向調(diào)換CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響規(guī)則四邊形換成三角單元其它不變CAE分析材料(單元)方向?qū)τ?jì)算結(jié)果的影響規(guī)則四邊形換成三角單元單元坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與全局坐標(biāo)系重合的局部坐標(biāo)系單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算13

FRT復(fù)合材料宏觀上呈現(xiàn)出不同程度的各向異性，與纖維平行和垂直方向上的性能差別很大，這種各向異性的特點(diǎn)顯著增加了復(fù)合材料制品設(shè)計(jì)的靈活性和難度。對于各向同性材料，有成熟的試驗(yàn)方法和設(shè)備來測量材料參數(shù)，且只需測量彈性模量、剪切模量、泊松比三個(gè)參數(shù)中的任意兩個(gè)，第三個(gè)參數(shù)可利用其它兩個(gè)參數(shù)計(jì)算出來，但對于各向異性材料，x、y、z三個(gè)方向上的參數(shù)各不相同且相互獨(dú)立，都需要測量，所以要測9個(gè)參數(shù)。采用商用CAE軟件進(jìn)行FRT制品力學(xué)性能預(yù)測分析時(shí)，首要要確定材料彈性常數(shù)，但面臨如下幾個(gè)問題：1、FRT復(fù)合材料彈性常數(shù)有9個(gè)，采用實(shí)驗(yàn)方法獲取這些參數(shù)較困難，且代價(jià)高。2、FRT復(fù)合材料廠家提供的材料彈性常數(shù)往往不全，通常是拉伸模量、泊松比和強(qiáng)度參數(shù)等。3、商用CAE軟件如ANSYS里有一個(gè)復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算輔助模塊，可以計(jì)算出層合板材料的參數(shù)，前提是層合板每一層的彈性參數(shù)已知單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算復(fù)合材料彈性常數(shù)計(jì)算——均質(zhì)化方法：復(fù)合材料至少由兩種材料構(gòu)成，因此在微觀上材料性質(zhì)是不均勻的，導(dǎo)致復(fù)合材料的宏觀模量和強(qiáng)度具有方向性，這種方向性取決于其組分材料的性質(zhì)和具體復(fù)合材料內(nèi)的微觀結(jié)構(gòu)分布，這是復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)研究的內(nèi)容。復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)研究如何用一個(gè)均勻材料代替非均勻材料，采用的方法是均質(zhì)化。涉及兩個(gè)尺度:一個(gè)是宏觀的、平均意義的量;一個(gè)是微觀的，涉及材料組分的屬性和微觀結(jié)構(gòu)分布。通常所說的復(fù)合材料的“模量”和“強(qiáng)度”都是指宏觀平均量，均質(zhì)化方法通過引入一個(gè)微元，這個(gè)微元代表復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的一個(gè)點(diǎn)，用這個(gè)微元的平均應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系代表復(fù)合材料有效本構(gòu)關(guān)系，實(shí)際上是將非均勻的微元用一個(gè)具有上述平均應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系的均勻化材料來代替，對復(fù)合材料結(jié)構(gòu)所有點(diǎn)都應(yīng)用上述概念，這樣原本一個(gè)真實(shí)非均勻復(fù)合材料結(jié)構(gòu)分析的問題就轉(zhuǎn)化成一個(gè)均質(zhì)材料結(jié)構(gòu)分析的問題。單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算設(shè)x表示位置矢量，當(dāng)復(fù)合材料受載時(shí)，一點(diǎn)的應(yīng)力場為σ(x)，對應(yīng)的應(yīng)變場為ε(x)，在微觀尺度上是不均勻的，采用平均應(yīng)力和平均應(yīng)變的概念進(jìn)行計(jì)算。平均應(yīng)力/應(yīng)變：一點(diǎn)的應(yīng)力/應(yīng)變在整個(gè)微元V上的體積平均:

單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算如果令每相材料的平均應(yīng)力與宏觀應(yīng)力的關(guān)系為(這里稱為局部化關(guān)系)：

則有宏觀平均應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系：

其中：

單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算Eshellby將重力場牛頓位勢的相關(guān)理論應(yīng)用到復(fù)合材料應(yīng)力場，研究無限大基體中含有微量分布均勻、取向一致的橢球夾雜問題，創(chuàng)立了等效夾雜理論，該理論是復(fù)合材料細(xì)觀力學(xué)的重要組成部分，在復(fù)合材料彈性參數(shù)預(yù)測計(jì)算中應(yīng)用廣泛。等效夾雜理論以基體、夾雜兩種組分組成的復(fù)合材料為研究對象，基體、夾雜本身為各向同性材料，其應(yīng)力、應(yīng)變滿足：其中：

單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算等效夾雜理論：胡克定律：本征應(yīng)變步驟三本征應(yīng)變步驟二本征應(yīng)變步驟一單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算Tandon-Weng模型建立在Mori和Tanaka模型之上，為了得出夾雜內(nèi)部的平均應(yīng)力和平均應(yīng)變，Tandon-Weng首先應(yīng)用Eshelby的橢球夾雜理論計(jì)算特征應(yīng)變（纖維方向?yàn)?方向或x方向）：其中泊松比的計(jì)算式是由Tucker給出的，Tandon-Weng給出的計(jì)算式需要循環(huán)計(jì)算23平面內(nèi)的體積模量和泊松比單向帶復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算A、B、D參數(shù)的計(jì)算：基于Tandon-Weng模型的復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算復(fù)合材料參數(shù)輸入：基于Tandon-Weng模型的復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算點(diǎn)擊Tandon-Weng模型求解基于Tandon-Weng模型的復(fù)合材料參數(shù)計(jì)算基礎(chǔ)材料參數(shù)Eshellby張量拉梅常數(shù)復(fù)合材料參數(shù)頂蓋橫梁實(shí)例靜力分析橫梁橫梁加蓋板頂蓋橫梁實(shí)例靜力分析開口模型閉口模型頂蓋橫梁實(shí)例靜力分析頂壓工況分析頂蓋橫梁實(shí)例靜力分析頂蓋橫梁實(shí)例靜力分析頂蓋橫