铝合金-碳纤维增强聚丙烯混合帽型梁热成形数值模拟

铝合金(Aluminum alloy,Al)-碳纤维增强聚丙烯(Carbon fiber reinforced polypropylene,CF/PP)混合材料通过热模压工艺可快速成形为车身薄壁构件,在汽车轻量化设计中应用前景广阔。然而,在热模压中Al主要以塑性变形为主,而CF/PP则以织物拉伸/剪切变形为主;此外,Al-CF/PP混合材料具有明显的热力耦合力学特性,为其数值模型的发展及热成形特性的研究带来了巨大挑战。本文首先通过热模压工艺制备8层(Al与CF/PP交替对称铺放)Al-CF/PP混合帽型梁试样,并采用X射线扫描断层(X-ray computed tomography,X-ray CT)手段对纤维夹角变化进行逐层表征。结果表明:Al-CF/PP中织物发生了明显的剪切变形;然后分别对Al片材和CF/PP片材在不同温度条件下开展单轴拉伸和偏轴拉伸实验,并构建了与温度相关的Al-CF/PP材料本构模型;在ABAQUS中构建了Al-CF/PP帽型梁的热模压有限元模型,仿真预测的纤维夹角变化与实验结果基本吻合;结果表明热模压过程中所有Al片材均出现了厚度减薄,CF/PP片材均经历了明显的剪切变形,Al-CF/PP层间材料则发生了显著的失效损伤。

碳纤维增强聚丙烯复合材料管件“成形-弯曲”耦合数值模型

当前复合材料车身零部件在研发过程中依然面临着制造工艺与结构性能孤立分析的难题,开发平纹织物纤维增强热塑性复合材料(WFRTPs)的“成形-性能”耦合数值模型,对于促进WFRTPs在新能源汽车领域的产业化应用意义重大。本文通过热模压工艺制备了两种不同纤维夹角的碳纤维增强聚丙烯(CF/PP)薄壁管件,并对CF/PP预浸料和CF/PP层合板进行了准静态偏轴拉伸实验,对CF/PP管件进行了准静态弯曲测试,实验结果表明,由成形工艺引发的织物纤维夹角增加将导致CF/PP层合板剪切强度降低和失效应变增加,进一步造成CF/PP管件在弯曲工况下峰值载荷减小和失效位移增加。开发了CF/PP预浸料的次弹性成形本构模型、层合板的渐进损伤弯曲本构模型以及管件的“成形-弯曲”耦合本构模型并验证了上述本构模型的准确性,仿真结果表明,在压边力约束下制备的非正交CF/PP管件的剪切塑性应变比无压边力制备的正交试样高69%,纤维夹角的增加将显著增加CF/PP材料的塑性剪切应变,进而导致非正交CF/PP管件的弯曲失效位移显著增加。

轴向和斜向加载下复合材料-金属-泡沫混杂管件的压溃吸能机制

本文旨在探讨碳纤维增强树脂(Carbon-fibre-reinforced polymer,CFRP)-铝合金-泡沫铝混杂管件在轴向(0°)和斜向(10°)荷载下的压溃变形特性和能量耗散机制。首先对纯碳纤维管(CF)、纯铝管(Al)、纯泡沫铝(Af)、Al-Af混杂管和CF-Al-Af混杂管进行了准静态压缩试验;在0°和10°的加载角下,Al-Af混杂管的能量吸收总是高于单一部件的能量吸收总量;与单一组分能量吸收之和相比,CF-Al-Af混杂管的能量吸收在0°加载角下减少,而在10°加载角时则显著提高。接着,在LS-DYNA中开发了混杂管件和相应的单一部件的数值模型,仿真结果表明,铝管能量吸收的提升促进了Al-Af和CF-Al-Af混杂管承载能力的提升,原因在于相比于单一铝管的“对称-钻石”混合变形,混杂管中的铝管发生了更稳定的对称变形,然而外部CF管能量吸收的降低主要削弱了CF-Al-Af混杂管的能量吸收,原因在于混杂管的CF管受到内部铝管的挤压出现了轴向撕裂失效。最后,建立了CF-Al-Af混合管和相应的单一管件在轴向荷载下的平均压溃载荷解析模型,结果表明,所开发的解析模型可以较好地预测混合管和单一部件的平均压溃载荷。