车用单向带FRT材料及制品力学性能研究

车用单向带FRT材料及制品力学性能研究

报告人：宋佩骏导师：石宪章副教授背景近年来，随着汽车产量和保有量的持续增加，我国面临的能耗、安全、环保三大问题日益突出,开发利用新能源、新材料以保持经济可持续发展显得日益重要。国内2009年《汽车产业调整和振兴规划》首次提出了我们国家发展新能源汽车的目标，再到2012年《节能与新能源汽车发展规划（2012-2020年）》，2015年《中国制造2025》和今年4月份的《汽车产业中长期发展规划》，这些年政府一直在持续密切的出台政策推动新能源汽车产业的发展。2018年1月12日，国务院副总理马凯主持召开国家制造强国建设领导小组会议，强调新材料、新能源汽车等重点领域自主创新。汽车轻量化有三种途径：材料、结构和制造工艺。面临的问题选材问题。市场上的单向带FRT复合材料种类繁多，具体到一个产品，采用哪种材料(主要指纤维种类、基体塑料种类、纤维含量等）较好且成本低？制品结构设计与力学性能问题。如何进行产品结构设计，既能满足产品力学性能要求又能最大限度地减重、增强？

解决问题的方法

1、CAE模拟

2、试验对于复合材料及其制品而言，因材料组份的种类和含量多变，试验测试的工作量大、成本高，因而对CAE的依赖性更强CAE模拟标准化步骤

1、建立几何模型2、设置材料参数3、设置单元4、划分网格5、施加载荷、约束6、分析计算7、查看结果56CAE分析材料方向单元坐标系方向全局坐标系笛卡尔柱坐标系球坐标系局部坐标系笛卡尔柱坐标系球坐标系工作平面

CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响

CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响单元坐标系用于确定材料属性的方向(例如：复合材料的铺层方向)。对后处理也是很很有用的，如提取梁和壳单元的膜力。单元坐标系的朝向在单元类型中可以找到。大多数单元坐标系的默认方向遵循以下规则。1、线单元的x轴通常从该单元的I节点指向J节点。2、壳单元的x轴通常也取I节点指向J节点的方向。Z轴过I点且与壳面垂直，其正方向由单元I、J和K节点按右手定则来确定，y轴垂直于x轴和z轴。3、二维和三维实体单元的单元坐标系总是平行于总体笛卡尔坐标系的。CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响

CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响

CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响制品转90度其它不变制品转90度材料x、y方向调换CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响规则四边形换成三角单元其它不变CAE分析材料(单元)方向对计算结果的影响规则四边形换成三角单元单元坐标系转换到与全局坐标系重合的局部坐标系单向带复合材料参数计算13

FRT复合材料宏观上呈现出不同程度的各向异性，与纤维平行和垂直方向上的性能差别很大，这种各向异性的特点显著增加了复合材料制品设计的灵活性和难度。对于各向同性材料，有成熟的试验方法和设备来测量材料参数，且只需测量弹性模量、剪切模量、泊松比三个参数中的任意两个，第三个参数可利用其它两个参数计算出来，但对于各向异性材料，x、y、z三个方向上的参数各不相同且相互独立，都需要测量，所以要测9个参数。采用商用CAE软件进行FRT制品力学性能预测分析时，首要要确定材料弹性常数，但面临如下几个问题：1、FRT复合材料弹性常数有9个，采用实验方法获取这些参数较困难，且代价高。2、FRT复合材料厂家提供的材料弹性常数往往不全，通常是拉伸模量、泊松比和强度参数等。3、商用CAE软件如ANSYS里有一个复合材料参数计算辅助模块，可以计算出层合板材料的参数，前提是层合板每一层的弹性参数已知单向带复合材料参数计算复合材料弹性常数计算——均质化方法：复合材料至少由两种材料构成，因此在微观上材料性质是不均匀的，导致复合材料的宏观模量和强度具有方向性，这种方向性取决于其组分材料的性质和具体复合材料内的微观结构分布，这是复合材料细观力学研究的内容。复合材料细观力学研究如何用一个均匀材料代替非均匀材料，采用的方法是均质化。涉及两个尺度:一个是宏观的、平均意义的量;一个是微观的，涉及材料组分的属性和微观结构分布。通常所说的复合材料的“模量”和“强度”都是指宏观平均量，均质化方法通过引入一个微元，这个微元代表复合材料结构中的一个点，用这个微元的平均应力和应变关系代表复合材料有效本构关系，实际上是将非均匀的微元用一个具有上述平均应力应变关系的均匀化材料来代替，对复合材料结构所有点都应用上述概念，这样原本一个真实非均匀复合材料结构分析的问题就转化成一个均质材料结构分析的问题。单向带复合材料参数计算设x表示位置矢量，当复合材料受载时，一点的应力场为σ(x)，对应的应变场为ε(x)，在微观尺度上是不均匀的，采用平均应力和平均应变的概念进行计算。平均应力/应变：一点的应力/应变在整个微元V上的体积平均:

单向带复合材料参数计算如果令每相材料的平均应力与宏观应力的关系为(这里称为局部化关系)：

则有宏观平均应力-应变关系：

其中：

单向带复合材料参数计算Eshellby将重力场牛顿位势的相关理论应用到复合材料应力场，研究无限大基体中含有微量分布均匀、取向一致的椭球夹杂问题，创立了等效夹杂理论，该理论是复合材料细观力学的重要组成部分，在复合材料弹性参数预测计算中应用广泛。等效夹杂理论以基体、夹杂两种组分组成的复合材料为研究对象，基体、夹杂本身为各向同性材料，其应力、应变满足：其中：

单向带复合材料参数计算等效夹杂理论：胡克定律：本征应变步骤三本征应变步骤二本征应变步骤一单向带复合材料参数计算单向带复合材料参数计算Tandon-Weng模型建立在Mori和Tanaka模型之上，为了得出夹杂内部的平均应力和平均应变，Tandon-Weng首先应用Eshelby的椭球夹杂理论计算特征应变（纤维方向为1方向或x方向）：其中泊松比的计算式是由Tucker给出的，Tandon-Weng给出的计算式需要循环计算23平面内的体积模量和泊松比单向带复合材料参数计算A、B、D参数的计算：基于Tandon-Weng模型的复合材料参数计算复合材料参数输入：基于Tandon-Weng模型的复合材料参数计算点击Tandon-Weng模型求解基于Tandon-Weng模型的复合材料参数计算基础材料参数Eshellby张量拉梅常数复合材料参数顶盖横梁实例静力分析横梁横梁加盖板顶盖横梁实例静力分析开口模型闭口模型顶盖横梁实例静力分析顶压工况分析顶盖横梁实例静力分析顶盖横梁实例静力分析顶盖横