2d编织型e玻纤环氧树脂基复合材料吸能特性研究 (1) 78页

Theinvestigationonenergyabsorptionof2DWoventypeE-glassfiberepoxyresinmatrixcompositeAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheMaster’sDegreeofEngineeringByLiGuishengSupervisedbyAss.Prof.QuanGuozhengSpecialty：MaterialProcessEngineeringCollegeofMaterialScienceandEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaMay,2013 中文摘要摘要为了研究纤维增强树脂基复合材料的冲击吸能特性，本文制备了E型玻璃纤维环氧树脂基复合材料，并对其进行了标准的复合材料力学试验。通过拉伸、弯曲和冲击试验测定了复合材料的力学特性，数值解析其弹性模量，泊松比，拉伸强度，剪切强度，冲击强度等力学性能。针对纤维增强复合材料的基本特点，以连续介质损伤力学为指导，建立了适合于数值计算的正交各向异性本构模型，并引入Hashin破坏准则，该准则同时考虑纤维拉伸断裂和压缩屈服折断，基体拉伸断裂和压缩开裂四种破坏模式，由于该模型考虑了冲击作用下材料复杂多样的损伤模式，因而能对复合材料的冲击力学行为给出较为合理的描述，推导了该本构模型的数值化描述方法，给出了模型在ABAQUS/Explicit有限元程序中的计算流程,模拟了不同冲击速度下，不同铺层角的冲击吸能特性。主要研究内容如下：1.研究了纤维增强复合材料不同制备方法，针对现有的实验条件，采用手糊成型制备了玻璃纤维增强树脂基复合材料，并分析了成型温度、成型压力、试剂配比等因素对成型性能的影响。2.对所制备的材料进行了标准的复合材料力学实验。通过拉伸、弯曲和冲击试验测定了复合材料的力学特性，并通过数值解析得到基本力学常数，为该材料进行数值模拟分析提供了材料参数。3.利用光学显微镜对不同破坏形式下的断口进行扫描，分析断口形貌。拉伸破坏断口基本上是平端口，主要破坏形式是纤维拔出断裂；弯曲上侧面失效形式为纤维和基体的压溃，下侧面的失效形式主要为纤维拔出失效；冲击断口参差不齐，并有大量的纤维束拔出。4.针对纤维增强复合材料的基本特点，以连续介质损伤力学为指导，建立了适合于数值计算的正交各向异性本构模型。引入Hashin破坏准则，该准则同时考虑纤维拉伸断裂和压缩屈服折断，基体拉伸断裂和压缩开裂四种破坏模式，因而能对复合材料的冲击力学行为给出较为合理的描述，推导了该本构模型的数值化描述方法，给出了模型在ABAQUS/Explicit有限元程序中的计算流程。5．基于所推导出的含四种损伤的正交各向异性材料模型，利用大型有限元分析软件ABAQUS开展了纤维增强复合材料冲击过程的三维有限元数值模拟。对弹丸冲击纤维增强复合材料层合板进行了计算，通过与国内外文献中所发表的试验结果进行比较验证了数值模拟结果的有效性。6.数值模拟研究了不同速度下弹丸冲击复合材料层合板的整个过程，得到了能量吸收随初始速度的变化规律。研究了速度一定时能量吸收特性随铺层方向变I 重庆大学硕士学位论文化机理。根据层合板结构设计原则，设置四种不同的铺层方式对铺层进行优化设计，数值分析不同铺层方式下的吸能特性，得到具有最佳吸能特性的铺层方式。7.针对模拟所得到的优化铺层结果应用到某汽车缓冲梁上，根据保险杠碰撞法则进行冲击模拟，对碰撞过程中的能量变化和损伤分布进行了分析，验证了纤维增强复合材料在低速撞击下具有较好的吸能特性。关键词：复合材料，缓冲吸能，铺层设计，冲击II 英文摘要ABSTRACTIthasbeenwidelyacceptedthatfiberreinforcedpolymercompositesoffermanyimportanttechnicaladvantagesovermetals.Moreandmorefiberreinforcedpolymercompositesareincludedinlightweightdesignofcrashworthystructureofvehicleswiththedevelopmentofnewmaterialandtechnical.Inordertoinvestigatetheenergyabsorptionofglassfiberreinforcedpolymer(GFRP)handlay-upmoldingwasperformedtoproducethematerialsandthestandardmechanicsexperimentswereconducted.Bythetensiletest,bendtestandimpacttestthemechanicalpropertiesoftheunidirectionallaminatewereobtained.Aconstitutivemodelaccountingintra-damagebehaviorisderivedfromthecontinuumdamagemechanics,fourdamagevariablesassociatedwiththefibertensileandcompressfailure,matrixtensileandcompressfailure,respectively.Thismodeltakesintoaccountcomplexanddiversedamagepatternsunderimpacteffectwhichcangivesareasonabledescriptiontotheimpactmechanicalbehavior.AnewreliableanalysistoolhasbeenestablishedtocapturetheenergyabsorptionofimpacteventbasedontheexplicitfiniteelementprogramABAQUS/Explicit.Thefollowingaspectsofeffortsareperformed:1.Formingmethodsoncompositematerialswereresearched.Accordingtotheexistingexperimentalcondition,handpasteformingwasusedtomanufacturelaminatedcompositeplate,whichformingtemperatureandpressure,ratioofreagentinfluenceontheformingpropertieswereanalyzed.2.ThestandardmechanicsexperimentsofGFRPwereperformed.Bythetensiletest,sheartestandimpacttestthemechanicalpropertiesoftheunidirectionallaminatewereobtained.Basedonload-displacementdiagramandthedestructionmorphologyofthelaminate,failuremodesoflaminateundercomplexpressenvironmentwereidentified.Andthematerialparametersoftheunidirectionallaminatewereprovidedtoanalyzeenergy-absorbingeffectsofimpactactiontothisGFRPcompositeplate.3.Opticalmicroscopewasusedforobservingthemicrostructuresoffracturemorphology.Itisfoundthatthefiberinthefracturepresentsbrittlerupture,whichexpressedradialruptureandthereisobviouscrackinthebase.Butinthenon-impactarea,itshowssmoothsurface,nofiberbreakageandnobodycreek.4.Anorthotropicconstitutivemodelaccountingintra-damagebehaviorsisderivedfromthecontinuumdamagemechanics,fourdamagevariablesassociatedwiththefiberIII 重庆大学硕士学位论文tensileandcompressfailure,matrixtensileandcompressfailure,respectively.Themodeltakesintoaccountthecomplexanddiversedamagepatternsunderimpacteffect,whichcangiveamorereasonabledescriptiontotheimpactmechanicalbehavior.DerivationofnumericaldescriptionoftheconstitutivemodelgivestheprocessofmodelcalculationsinthefiniteelementprogramABAQUS/Explicit.5.Basedonthededucedorthotropicmaterialconstitutivemodel,three-dimensionalfiniteelementnumericalsimulationofafiber-reinforcedthelaminatedmaterialimpactprocesseswerecarriedoutinABAQUS.Thevalidityofthenumericalsimulationresultsareverifiedbyexperimentalresultspublishedintheliteratureabroad.6.ABAQUSfiniteelementanalysissoftwarewasusedtosimulatetheimpactexperimentsunderdifferentvelocitiesanddifferentlayermodel.Theenergyabsorptionwiththevariationoftheinitialvelocityandthemechanismoftheenergyabsorptioncharacteristicschangewiththeplydirectionwereanalyzed.Accordingtothedesignprincipleofthelayerplywoodstructure,setting0/0、0/±45、[+45/0/-45/90]sandgradientoverlayplymode,therelationshipbetweenenergyabsorptionandplydirectionwerestudiedunderthesettingspeed.7.Theoptimizationmaterialwasappliedtothebufferbeamofacar.Theenergyvariationanddamageofthebufferbeamwereanalyzedduringthestandardimpactvelocities.Theresultsshowthatthematerialwhichappliedtocarbufferbeammeetspracticalrequirements.Keywords:Compositematerial,energyabsorption,layerlay-updesign,impactIV 目录目录中文摘要.......................................................................................................................................I英文摘要....................................................................................................................................III1绪论......................................................................................................................................11.1课题背景...............................................................................................................................11.2纤维增强复合材料的发展...................................................................................................21.2.1增强纤维设计的发展...............................................................................................21.2.2复合材料制备工艺的发展.......................................................................................41.3纤维增强树脂基复合材料吸能特性研究现状...................................................................51.4研究目的及意义...................................................................................................................61.5研究思路及主要内容...........................................................................................................72材料制备.................................................................................................................................92.1引言.......................................................................................................................................92.2材料制备...............................................................................................................................92.2.1材料选择及配比方案...............................................................................................92.2.2材料铺层设计.........................................................................................................102.2.3制备工艺.................................................................................................................112.3本章小结.............................................................................................................................143试验及数值解析...............................................................................................................153.1引言....................................................................................................................................153.2标准力学试验....................................................................................................................153.2.1拉伸试验.................................................................................................................153.2.2弯曲试验.................................................................................................................193.2.3冲击试验.................................................................................................................233.3连续介质损伤力学本构模型............................................................................................273.3.1连续介质损伤力学基本原理.................................................................................283.3.2纤维增强层合板损伤力学本构模型概述.............................................................283.3.3弹性本构方程........................................................................................................303.3.4单层板强度准则....................................................................................................343.4本章小结.............................................................................................................................364GFRP冲击有限元数值模拟分析...........................................................................394.1引言.....................................................................................................................................394.2冲击动力学分析的有限元格式.........................................................................................39V 重庆大学硕士学位论文4.2.1显式有限元分析算法流程....................................................................................394.2.2显式时间位移和加速度积分................................................................................414.3弹丸冲击GFRP板有限元模型.......................................................................................424.3.1几何模型................................................................................................................424.3.2材料模型................................................................................................................424.4本构模型数值化算法流程................................................................................................434.5数值模拟结果分析.............................................................................................................444.5.1相同铺层方向GFRP板吸能特性随速度变化规律研究....................................444.5.2GFRP板受冲击过程损伤与吸能的演变机理......................................................464.5.3GFRP板受冲击的变形过程分析..........................................................................474.5.4GFRP板受冲击应力分布规律..............................................................................484.6铺层方向优化设计.............................................................................................................504.6.1吸能特性预测分析.................................................................................................514.6.2损伤特性预测分析.................................................................................................524.7本章小结.............................................................................................................................535保险杠缓冲梁冲击特性有限元分析....................................................................555.1引言.....................................................................................................................................555.2汽车保险杠碰撞法规........................................................................................................555.3碰撞模型的建立.................................................................................................................565.3.1几何模型的建立....................................................................................................565.3.2有限元模型的建立................................................................................................575.4碰撞结果分析.....................................................................................................................575.4.1碰撞过程的能量变化.............................................................................................575.4.2碰撞过程的应力变化.............................................................................................585.4.3碰撞过程损伤预测.................................................................................................595.5本章小结.............................................................................................................................596结论及展望..........................................................................................................................616.1结论.....................................................................................................................................616.2展望.....................................................................................................................................62致谢....................................................................................................................................63参考文献...................................................................................................................................65附录....................................................................................................................................69A.作者在攻读学位期间发表的论文目录：.........................................................................69B.作者在攻读学位期间参与项目：.....................................................................................69VI 1绪论1绪论1.1课题背景20世纪90年代以来，汽车工业飞速发展带来了能源短缺、环境污染等一系列问题。中国也明确提出要大力发展汽车产业，但随着该产业的发展，也同样面临[1]着上述问题，所以节能减排已成为各国汽车工业发展的主要目标之一。汽车节能的方法主要有三种：一是轻量化，即减轻汽车自身重量；二是提高发动机的燃油效率；三是降低行驶阻力。其中轻量化一方面降低汽车排放，另一方面也能够降低行驶阻力。汽车轻量化的方法有两种：一是改进结构使部件薄壁化、中空化及复合化达减轻重量的目的；二是轻质材料的使用，通过采用轻金属和非金属材料，如高强度钢材、铝镁合金、工程塑料和各种复合材料来实现轻量[2]化；通过车身的优化设计，采用普通钢板可以减重7%，采用高强度钢板和镁铝[3]合金可达到15%～30%，而纤维增强树脂基复合材料有望达到更好的减重效果。目前，各国汽车行业关注的焦点是将纤维增强聚合物基复合材料越来越多的应用在汽车上，因为它具有重量轻、比强度高、耐腐蚀性好等优点，同时具有加工能耗低，设计自由度大，不生锈，良好的成型工艺性等其他方面的优势，因此是汽车工业备受关注理想材料，其中重量轻，强度高是纤维增强树脂基复合材料[4]的最大优点，当汽车发生碰撞时，可有效的吸收冲击能量，减少对人体的伤害，因此，越来越多的复合材料应用到汽车构件上。在航空航天领域，应用最广泛的是碳纤维增强复合材料，因为减轻结构重量和提高强度对提高飞机和火箭的性能是至关重要的。空客A380飞机上已将碳纤维环氧树脂基复合材料应用机翼机身等部位，而复合材料在整机上的用量已达到50%左右。在波音787战机上，复合材[5]料的质量分数占到50%，而体积分数已经占到了80%以上；先进复合材料将被越来越多的应用在飞机的结构，运载火箭，飞船和卫星等领域。[6][7]S.Ramakrishna，GeorgeC等国外知名专家学者表明：通过优化的铺层设计和结构，复合材料具有比金属材料更加优越的缓冲吸能特性，图1-1是各种材料的比吸能对比图，从图中可知：聚合物基复合材料的吸能特性明显高于金属和铝镁合金，玻璃纤维增强树脂基复合材料的比吸能性能是金属材料的2～3倍，因此，先进复合材料将会被越来越广泛的应用。本课题在汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室支持下对先进复合材料的吸能特性进行研究。汽车噪声振动和安全技术国家重点实验室是依托中国汽车工程研究院及重庆长安汽车股份有限公司所建立的重点实验室之一，主要是针对汽车碰撞的研究分析。根据目前国内的发展需求，复合材料已经越来越多的应用的1 重庆大学硕士学位论文汽车等领域，本课题主要针对E型玻璃纤维环氧树脂基复合材料的抗冲击特性展开研究，以期为复合材料在汽车上的合理应用进行理论指导。图1-1材料的比吸能对比图Fig.1-1Specificenergyabsorptionofmaterials1.2纤维增强复合材料的发展1.2.1增强纤维设计的发展[8]纤维增强复合材料是由增强材料和树脂基体复合而成的多相材料，增强纤维的主要功能是提高材料的力学特性，即赋予材料高的强度高的模量等力学性能。玻璃纤维纱：玻璃纤维具有抗拉强度高和化学稳定性好等特点。通过对玻璃纤维进行加捻或者无捻，进行合股而形成，它主要用来制备无纬布和无纬带，也可以通过缠绕成型、拉挤成型、喷射成型来制造不同的产品。如图1-2所示，为玻璃纤维纱通过螺旋缠绕而形成的管状制品。图1-2玻璃纤维纱缠绕成型制品Fig.1-2Glassfiberyarnwindingmoldingproducts2D编织布：通过对玻璃纤维进行编织，可以形成玻璃纤维布。它是由经纱和纬纱编织而成。编织方法不同，所形成的种类也有所不同。如图1-3所示是三种不同的编织布。平纹布：编织方法是相互间隔，一根丝从另一根丝下面穿过，压在另一根丝的上面，交替编织而成，图1-3（a）所示。2 1绪论斜纹布：一根经纱从两根纬纱下面穿过，压在另外两根纬纱下面，如此反复循环，表面呈现斜纹，图1-3（b）所示。缎纹布：经纱和纬纱压在多根纱上面，之后相互从一根纱下面穿过，布面几乎只见经纱或纬纱，图1-3（c）所示。(a)(b)(c)图1-32D编织布Fig.1-32Dbraidedfabric编织方法不同，所得材料的使用特性也有所不同。因为在编织过程中，对纤维的走向和变形能力进行了改进，影响了布的铺覆性。表1-1罗列了不同的编织方法对使用性能的影响。表1-1编织方法对使用性能的影响Table1-1Weavingmethodtousetheinfluenceofperformance评价指标平纹斜纹缎纹编织次数多中少纤维弯曲大中小拉伸强度小中大冲击强度高中低变形性能密实、柔性差中好3D织物复合材料：3D织物复合材料是在2D编织的基础上，根据产品的形状和性能要求而编织的立体织物。包括缝纫、机织、编织和针织四种工艺，通过这种工艺的改进，一方面降低了复合材料的制造成本，另一方面使结构的力学性能得到了明显的改善。图1-4为3D编织的纤维结构，1-5为3D编织而成的自行车骨架。3 重庆大学硕士学位论文图1-43D编织纤维结构图1-53D编织物Fig.1-43DknittedfabricFig.1-53Dknittedcompositesforbicycle1.2.2复合材料制备工艺的发展[9]复合材料的制备工艺是复合材料工业的发展基础和条件，随着复合材料的应用领域越来越广泛，复合材料工业也得到了飞速的发展。而复合材料的发展反过来带动了材料应用领域的革命，在经过半个多世纪的发展历程中，复合材料成型方法已有几十种。真空袋压成型：真空袋压成型的主要设备是烘箱、成型设备和真空系统。真空袋成型是通过抽真空产生负压力，从而对制品施加压力的成型方法。其工作原理如图1-6所示：图1-6真空袋压成型Fig.1-6WorkingprincipleofVacuumbagpressureforming其工艺过程为：在真空袋和模具之间铺设毛坯，并且密闭，然后抽真空形成负压。在成型过程中，通过真空袋对制品施加压力，等制品固化后，脱模取出制品。该工艺方法操作简单，适用于大尺寸产品的成型，缺点是真空袋压所能够产生的压力最多为0.1MPa，所能成型的板材厚度不能太大。模压成型：模压成型所需的设备有带热源的压力机和模具。成型工艺为：将复合材料叠层放入模具中，在温度作用下开始融化，在压力作用下流动塑化，最后充满模腔成型固化。其工作原理如图1-7所示：4 1绪论图1-7模压成型Fig.1-7Moldingschematicdiagram模压成型压力调节范围较大，而且具有良好的可观察性，能够保证制品有比较精确的几何外形，因此广泛应用于复杂结构件的制造，例如航空发动机的叶片。该成型方法的困难在于模具形式的设计，模具各个模块的协调配合以及零件的合理取出。手糊成型：手糊成型是传统的复合材料成型工艺，又称手工裱糊成型。该工艺是先在模具上涂好脱模剂，然后用手工一边铺设增强材料，一边涂刷树脂，以达到所需厚度为止。此成型技术工艺简单、操作方便、可以制作形状复杂的制品。1.3纤维增强树脂基复合材料吸能特性研究现状先进复合材料具有重量轻，强度高，优越的抗疲劳和耐环境性能，在航空航天，工程结构、机械设备、兵器工业和交通运输等领域得到了越来越广泛的应用。但是在这些应用领域中，冲击载荷所造成的材料失效占主要部分，因此纤维增强材料的冲击损伤和失效机理与吸能状况的研究是国内外学者研究的重点。[10]在国内，哈尔滨工业大学复合材料研究所万志敏、谢志民等研究了玻璃纤维树脂基体圆管受到轴向撞击压缩条件下，能量吸收特性损伤状态的分布，分析了撞击过程中的能量变化，在一维应力波传播原理的基础上提出了简化分析模型，结果表明：玻璃纤维圆管在撞击载荷作用下的破坏是一种渐进行为。[11]程小全对缝纫层合板进行了低速冲击试验，对冲击后的试样采用X射线和C扫描热揭层等技术对层合板内部损伤进行测量和对比，结果表明：在低速冲击时，试件撞击区域表面没有明显的损伤特征，而在撞击背面会出现与纤维方向平行的基体裂纹。[12]在国外，HitchenS.A和KempR.M.J从受力峰值和能量吸收角度出发，分析了铺层角的变化对抗冲击性能的影响，提出增加45°纤维方向能够提高抗冲击性5 重庆大学硕士学位论文[13]能，但却未指出其力学机制。FuossaE以冲击后复合材料层合板的分层面积为性能评估指标，研究了铺层角度、层间角度变化和连续相同角度的铺层数对层合板抗冲击能力的影响。[14]Farley等研究了不同基体材料对吸能能力的影响，对各种聚合物基体进行了测试，针对冲击吸能能力从大到小的排列顺序为环氧、乙烯酯、聚酯、酚醛。导致吸能能力不同的主要原因是基体应变极限，当基体具有较高的破坏应变值时，材料在冲击作用下层间生成的缺陷较少。[15]Lee等研究了高强度聚乙烯纤维和纤维增强树脂基层胶合板受冲击作用下的损伤模式，层压板吸收能量的主要方式是纤维的拉伸断裂、剪切和分层损伤。主要分为以下四种失效模式：①基体破坏模式：在冲击作用下，基体受到拉伸、剪切和压缩的作用，在纤维平行的方向最先出现裂纹。②分层破坏模式：层合板分层的主要原因是层间剪应力高于层间强度。③纤维破坏模式：纤维受到拉伸和压缩作用下破坏模式不同，当纤维受到拉伸用时，主要为纤维拉伸断裂；当纤维受到缩时，主要表现为纤维的压缩屈服。④穿透破坏模式：指弹丸完全穿透目标板。由于横向冲击载荷首先使基体产生损伤同时出现裂纹，纤维在拉应力下断裂，从而使弹丸穿透靶板。1.4研究目的及意义随着材料科学的发展，复合材料已越来越广泛地应用于航空航天，船舶，交通，以及国防等许多领域，但是将复合材料应用到具体的缓冲结构（如汽车缓冲梁、保险杠等）将面临很多困难。因为复合材料与金属材料相比，在诸多方面都存在着较大的差异，主要表现在以下几个方面：①各向异性的力学特性复合材料与金属、工程塑料等传统材料相比有显著的区别，其力学性能也独具特色。复合材料宏观上呈现出非均匀性和各项异性的力学特性，而金属材料是均质材料，在宏观上显现出各向同性的力学特性，所以复合材料的强度和刚度分析的理论与方法不同于金属。②复合材料在冲击载荷下损伤破坏机理异常复杂先进复合材料在冲击载荷作用下存在着多种损伤模式，主要有纤维断裂与拔出、基体开裂和界面脱粘等。根据冲击作用的影响效果，复合材料的损坏模式可以单独或组合发生，不同损伤模式依赖于层合板刚度上叠层结构、冲击能量和铺层方式等多种因素。在宏观应力条件下裂纹萌生和扩展也是无规则扩张模式，受到材料的显微结构的影响，是一种随载荷、时间和空间的变化过程。6 1绪论③单一失效准则的表征也非常困难复合材料的失效准则与金属材料不同。金属材料破坏准则比较统一，常用的Mises强度准则和屈雷斯加失效准则，但是复合材料失效无法用金属材料的失效准则来表征，因为复合材料是各向异性材料，其强度理论是通过大量的实验研究逐渐发展起来的，但没有达成共识。复合材料失效准则的破坏机理非常复杂，在发展过程中也出现了众多的失效准则，如最大主应力失效准则，最大主应变失效准则，蔡-希尔失效准则，蔡-吴失效判据和Hashin失效准则。针对不同的研究，需要进行合理的选择，而研究具有普适性的复合材料失效准则，还需要大量的实验研究。针对上述问题，本文研究了玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料不同铺层方式冲击损伤机理，针对冲击作用下复合材料结构内部产生的各种损伤模式，引入Hashin破坏准则，建立了以连续损伤力学为基础的正交各向异性本构模型。宏观尺度上，以一个单层的力学性能作为基础，把这个单层看作是一个均匀材料，即把纤维和基体混为一体，研究不同铺层方式下的损伤特性及吸能机理。1.5研究思路及主要内容本文的主要研究内容如下：①研究了纤维增强复合材料的不同制备方法，针对现有的实验条件，采用手糊成型制备了E型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料。②对所制备的材料进行了标准的复合材料力学实验。通过数值解析得到基本力学常数，为该材料在冲击作用下的吸能特性的分析提供了材料参数。③利用光学显微镜对冲击试样断口进行扫描，对断口形貌进行分析：拉伸破坏断口基本上是平端口，破坏形式是纤维拔出断裂，弯曲上侧面失效形式为纤维和基体的压溃，下侧面的失效形式主要为纤维拔出失效，冲击断口参差不齐，并有大量的纤维束拔出。④针对纤维增强复合材料基本特点，以连续介质损伤力学为指导，建立了适用于复合材料的正交各向异性本构模型，并引入了Hashin失效准则，该准则同时考虑纤维拉伸断裂和压缩屈服折断，基体拉伸断裂和压缩开裂四种破坏模式，由于将复杂多样的冲击损伤模式考虑在内，因此可以更好的描述复合材料冲击力学行为，选用该失效准则并推导了该模型的数值表达方法和计算流程。⑤基于所推导出的含四种损伤的正交各向异性材料模型，利用大型有限元分析软件ABAQUS开展了纤维增强复合材料冲击过程的有限元数值模拟。对不同速度下的弹丸冲击GFRP板进行了模拟分析，并与国内外文献中所发表的实验结果进行比较，从而验证了模型的有效性。7 重庆大学硕士学位论文⑥对不同速度下弹丸冲击GFRP层合板的整个过程进行了数值模拟研究，得到了能量吸收随初始速度的变化规律：随着冲击速度的增加，层合板吸收的能量也随之增加，说明材料的抗冲击特性有速度效应，这主要与纤维应变率效应和破坏机理有关，而当初始速度达到材料的弹道阀值时，层合板所能吸收的能量趋于定值。⑦研究了速度一定时能量吸收特性随铺层方向变化机理。根据层合板结构设计原则，设定0/0、0/±45、[+45/0/-45/90]s和渐变铺层四种铺层方式，在所设定的冲击速度下模拟分析了GFRP板不同铺层方向对能量吸收的影响，结果表明：当冲击速度一定时，能量吸收随铺层方向变化明显。针对模拟所得到的优化铺层结果应用到某汽车缓冲梁上，模拟了在4km/h和8km/h下，缓冲梁撞击刚性墙体的能量变化和应力应变的变化过程，对保险杠在冲击过程中的损伤特性进行了分析，结果可知：该材料可应用到汽车保险杠中，满足理论要求。总体逻辑关系如图1-8所示：计算本构方程材料制备力学试验ABAQUS软件计算失效判据验证吸能特性随速度变化规律冲击损伤与吸能演变规律应用汽车缓冲梁铺层优化设计复合材料板冲击变形分析复合材料板应力分布规律图1-8总体逻辑结构示意图Fig.1-8Illustrationoflogicstructure8 2材料制备2材料制备2.1引言先进复合材料具有轻质、高强度、优越的抗疲劳和耐腐蚀的性能，在航空航天、造船等部门得到了越来越广泛的应用。纤维增强复合材料的力学性能取决予材料组分的性能、组分的相对含量，界面之间的结合状况和受力方向等。当受外载荷时，增强纤维承受大部分载荷，而基体则承受纤维间的剪切应力，起到力的传递和防止纤维变形的作用。因此，对复合材料的力学性能来说，在很大程度上取决于增强纤维的铺层设计和性能以及相对含量等。[16]复合材料的成型工艺是复合材料工业发展的基础和条件；随着复合材料的应用领域越来越广泛，复合材料工业也得到了飞速的发展，而复合材料的发展反过来带动了材料应用领域的革命。2.2材料制备2.2.1材料选择及配比方案复合材料是由两种或两种以上材料组成的具有特殊性能的新材料，在材料的混合过程中，不同的增强相和基体相给材料带来不同的影响，即使同样的两种材料，体积和质量分数不同也影响成品的综合力学性能，所以在制备材料之前，选择合理的组分材料，并对其配比方案的优化，才能得到具有最佳性能的制品。由绪论中关于增强材料的叙述可知：目前增强材料有很多种，包括玻璃纤维、碳纤维、有机纤维等，不同的增强材料性能和用途都会有所不同。玻璃纤维是一种性能优异的无机非金属材料，已成为复合材料工业的主体。表2-1列出了各种常用玻璃纤维增强材料的力学性能。表2-1常用玻璃纤维的性能Table2-1Theperformanceoftheglassfiber相对密度拉伸强度弹性模量软化点纤维伸长率（%）介电常数3g/cm/MPa/GPa/℃E2.54344872.44.88416.3S2.48458585.55.79705.1C2.49303369.04.87497.0A2.503033――7276.99 重庆大学硕士学位论文E型玻璃纤维通过对无碱玻纤进行了工艺改进，通过对玻璃纤维纱进行平纹、斜纹和缎纹等编织工艺，从而大大提高其抗拉强度和弹性模量，所以本课题所研究的复合材料选用编织型E玻璃纤维增强材料，采用平纹编织工艺，所选择的材料如图2-1所示：图2-1编织型E玻璃纤维Fig2-1WeavetypeofE-glassfiber针对树脂基体的选择，参考Farley的研究结果。Farley等针对不同基体材料对吸能的影响做了深入的研究，选择了环氧树脂、酚醛树脂、聚酯和乙烯酯四种不同的基体材料做了碰撞吸能测试，得到了热固定树脂基体的吸能特性，吸能效果[14]为：环氧树脂＞乙烯酯＞聚酯＞酚醛。根据其研究结果选择环氧树脂作为复合材料的基体。[9]西北工业大学陈炎等针对T300/Epoxy复合材料层合板在不同冲击速度下的抗弹吸能问题进行了不同冲击速度的数值模拟，利用实验和数值模拟相互验证的方法对碳纤维增强树脂基复合材料的铺层顺序对其弹击性能的影响作用进行了研究。结果表明：有效提高复合材料的吸能特性的方法之一是提高长纤维体积分数。[6]Ramakrishna在对不同体积分数的玻璃纤维和树脂进行碰撞试验时发现：当玻璃纤维体积分数为40%，树脂基体体积分数在60%左右时，此时复合材料拥有更优良的冲击吸能特性，由此对本材料配比方案进行了制定。2.2.2材料铺层设计根据GB/T1446-2005《纤维增强塑料性能试验方法总则》的相关要求，复合材料层合板采用单向铺层方式，铺层设计为13层，即将主纤维方向沿0°方向进行铺设，依次进行叠加，直至达到预设的厚度。如图2-2所示，为所设计材料铺层方向示意图。10 2材料制备(a)单层(b)多层图2-2玻璃纤维铺层设计图Fig2-2ThediagramofGlassfiberpliesdesign2.2.3制备工艺随着复合材料工业的飞速发展，带动了材料应用领域的革命，在经过半个多世纪的发展历程中，复合材料成型方法也有几十种。根据目前的实验条件，采用手糊成型工艺。手糊成型是传统的复合材料成型工艺，对所需实验设备要求不高，该工艺是先在模具上涂好脱模剂，然后用手工一边铺设增强材料，一边涂刷树脂，以达到所需厚度为止。此成型技术工艺简单、操作方便、可以制作形状复杂的制品。具体的工艺流程如图2-3所示：模具准备增强材料准备涂脱模剂增强材料裁剪树脂固化剂干燥手糊成型胶液配制稀释剂制品固化助剂模具清理脱模后处理检测成品图2-3手糊成型工艺流程图Fig.2-3Handpasteformingprocess11 重庆大学硕士学位论文①模具的制造根据所要生产产品的形状制造相应的模具，本次试验要制备复合材料层合板，所需要模具较简单，只需要两个大小一样的平板即可。模具表面要光滑，以便于顺利脱模，同时要在模具表面涂刷脱模剂。②胶液的配制胶液的配比对复合材料成型性能起着决定性的作用。在本课题中使用环氧树脂牌号为6061，固化剂为T31，环烷酸钴作引发剂，丙酮做稀释剂，所需试剂均由重庆恒发化工有限公司生产。如图2-4所示：图2-4胶液配比试剂Fig2-4Liquidcementratioreagent具体的配比是由树脂固化试验确定，如表2-2所示：表2-2胶液配比（质量比，%）Table2-2liquidcementratio（massratio,%）环氧树脂T31环烷酸钴丙酮80%2~5%1~2%10~20%③增强材料本文所用增强材料为E型玻璃纤维布，属于正交编织，使用前根据模具形状进行裁剪，然后按照所设定的角度铺设在模具中。本课题要成型的复合材料层合板采用湿法铺层，即直接将增强材料浸胶按照一定的角度一层一层铺设在模具上，并排除气泡，使之密实。④手糊成型手糊成型前，先在模具型腔表面涂上脱模剂，以便顺利脱模。脱模剂成分有很多种，一种是煤油（汽油等）加地板蜡，还有一种是凡士林加机油。等整层纤维毡浸满树脂后，还需要用刷子在纤维表面上刷动，把树脂和纤维毡之间的气体12 2材料制备全部赶出来。在糊制过程中，要考虑凝胶时间，当凝胶时间过短时，粘度会迅速增大，不能浸透材料，造成局部固化；当凝胶时间过长时造成胶液流失，交联剂挥发，所以在制作过程中，一方面在配胶时将树脂与固化剂以外的组分先调和均匀，施工前再加入固化剂，搅匀后马上使用，另一方面，可以加入伯胺和低活性固化剂，来控制环氧树脂的凝胶时间。模具上糊好树脂和玻璃纤维后要等产品固化，固化时间与树脂中加入的固化剂比例以及所处的温度有关。在常温下，一般需要48小时，即可脱模，如果想节约生产周期，可以用固化炉进行固化，一般情况下，固化炉调节温度为50℃，保温120分钟即可。为了使材料有更好的性能，一般进行加压固化，本次试验放在硫化机（如图2-5所示）内进行分段式加压固化，以得到性能更好的材料。图2-5平板硫化机Fig.2-5Vulcanizingmachine⑤脱模根据产品的形状选择最合理的脱模方法，本试验形状简单手工脱模即可，如果是形状复杂的产品可以通过空气压脱模，产品在脱模后还需常温固化1～2周，才能达到完全固化，达到基本的力学强度。⑥机械加工按照设计尺寸，除去多余部分，得到成品尺寸。在机械加工过程中，容易出现擦伤、刮痕、刻痕及脱胶、纤维断裂等缺陷。⑦表面处理一般选用同种类型的树脂，使用喷漆一抛光的工艺流程，使制品表面达到美观、光滑的效果，从而提高制品表面抗腐蚀的能力。在试验过程中由于操作不当会造成产品缺陷。表2-3列举了实验过程中频繁出现的缺陷及原因分析。图2-6为13 重庆大学硕士学位论文经过反复试验所得到的复合材料层合板，为基础力学实验以及数值模拟分析提供了材料。表2-3制品常见缺陷及对策Table2-3Thedefectsoftheproductsandcountermeasures现象原因对策颜色不均颜料沉淀胶液配置时应充分搅拌使其均匀裂纹过固化调整固化温度和时间树脂黏度过大，使用低黏度树脂表面针孔树脂喷涂量不均匀调整一次喷涂厚度防止喷涂不均，防止树脂喷涂过程中固化不良或在凝胶过程中龟裂混入水分，不能用未固化树脂再次喷再次喷涂涂图2-6复合材料层合板Fig2-6GFRPlaminates2.3本章小结本章对材料进行了制备，根据不同基体和增强纤维的性能特点以及国内外研究现状，选择基体相为环氧树脂，增强相为E型玻璃纤维布，其配比方案为玻璃纤维体积分数为40%，环氧树脂基体积分数在60%。所采用的固化剂为T31，引发剂为环烷酸钴，稀释剂为丙酮，进行胶液的配置。根据目前实验条件，采用手糊成型在硫化机上制备复合材料层合板，在成型过程中考虑到了环境温度和成型压力对材料材料性能的影响，制备出符合实验要求的复合材料层合板，为下章基础力学试验提供实验材料。14 3试验及数值解析3试验及数值解析3.1引言复合材料是由两种或两种以上固相物质所组成，由于对原有组分的性能取长补短，使其在构成上更为合理，所以它具有传统单一材料不可能具有的优越性能，[17]在功效上更加优于原来的单一材料。聚合物基复合材料具有比强度和比模量高、抗疲劳性能好、耐热性能好等特点，在当今各个领域中得到很好的应用。材料在外力作用下所表现出的力学行为称为材料的力学性能。材料的力学性能跟与材料本身的成分、结构、工艺条件等许多因素有关，材料的力学性能数据[18]一般由试验来确定。复合材料的力学性能是其各项性能中较为重要的一项，本章针对上章所制备的复合材料层合板，通过基础的力学实验来测定基本性能，为数值模拟奠定基础。该复合材料是玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料，织物在面内径向和纬向两个正交方向上增强。3.2标准力学试验根据纤维增强复合材料层合板理论，层合板整体的力学性能与单层的性能有[19]关，因此，单层工程常数和基本强度可以通过单向板试验测得。由于单层是有纤维和基体组成的，所以单层的弹性常数和基本强度还可以采用细观力学分析的方法，通过纤维和基体的性能来预测。因此，本文通过基础实验得到材料工程弹性常数和基本强度，其他参数通过复合材料微观力学理论进行数值解析求得。所做基础试验有拉伸试验、弯曲试验，冲击试验，测定了E型玻璃纤维增强环氧树脂基复合材料的力学特性，数值解析其弹性模量，泊松比，拉伸强度，剪切强度，冲击强度等力学性能，为下章的数值模拟做铺垫。3.2.1拉伸试验拉伸试验沿试样轴向均匀施加静态载荷，直到试样断裂或达到预定的伸长量。在整个过程中，测量施加在试样上的载荷和试样的伸长，以测定拉伸应力（拉伸屈服应力、拉伸断裂应力或者拉伸强度）、拉伸弹性模量、泊松比、断裂伸长率等。本次试验按照GB/T1446-2005和GB/T1447-2005标准执行。试样型式及尺寸如图3-1、3-2所示。本文所研究的E型玻璃纤维环氧树脂基复合材料层合板采用单向铺层，纤维材料的体积百分含量为40%，树脂体积百分含量为60%。试样厚度为8mm，在其两端粘贴1mm厚的铝合金加强片以确保试件在拉伸时端部不首先破坏。拉伸试验在MTS万能材料试验机上进行如图3-3所示，加载速度为2mm/min。拉伸试件的变形用引伸计测量，标距为50mm，通过拉伸应力-应变曲线得到复合材15 重庆大学硕士学位论文料的弹性模量和泊松比等力学性能。图3-1Ⅰ型拉伸试样Fig.3-1Ⅰtypetensilesample图3-2贴垫片的泊松比试样Fig.3-2Stickgasketofpoison’sratiosample图3-3拉伸试验机Fig.3-3Tensiletestmachine实验结果及分析：①破坏过程及破坏特征在加载初期，试样的外观没有显著变化，但随着拉伸的进行，总是伴随着纤16 3试验及数值解析维的―噼啪‖断裂声。当试件达到极限荷载时，玻璃纤维被拉断基体随之断裂，试件被破坏。②力学性能计算本课题所研究的复合材料主方向荷载-位移和应力-应变曲线、如图3-4，3-5所示：600080050007006004000500/N3000400载荷(MPa)2000300应力200100010000.00.20.40.60.81.01.200.0000.0050.0100.0150.0200.025位移/mm应变图3-4主方向载荷-位移曲线图图3-5主方向应力-应变曲线Fig.3-4Load-displacementcurveFig.3-5Stress-straincurveinprincipaldirection由于复合材料的力学性能为正交各向异性，因此试样在试验机上夹持，涉及方向性。为了表述方便，定义如图3-6所示的两个坐标系。其中L-T坐标系表述全局坐标系，试验获得的数据由该坐标系表示，1-2坐标系表示局部坐标系，复合材料的本构模型在该坐标系下建立，为两坐标系之间的夹角。L1T2图3-6全局和局部坐标系Fig.3-6Globalandlocalcoordinatesystem对于复合材料纤维主方向的拉伸试验，可以测定纵向无损伤时的弹性模量E10和面内的主泊松比，在该试验条件下，全局和局部坐标系之间的夹角0，12则根据转轴公式可得到以下关系：17 重庆大学硕士学位论文11L11L220和22T(3.1)001212弹性模量和泊松比可以按公式3.2和3.3计算:LE(3.2)LT(3.3)L为了测定泊松比，需要同时测出横向应变和纵向应变，然后根据公式3.3计算。沿纤维方向拉伸所获得的材料曲线如图3-9和3-10所示，根据公式3.2和3.3可以得到该复合材料的弹性模量E=3314.73MPa，主泊松比=0.25，纤维副方向弹112性模量E=E=3314.73MPa，==0.25，由于聚合物基复合材料Z方向的弹性211312[20][20]常数近似等于树脂基体的弹性常数，参考云大真《结构分析光测力学》，可知该环氧树脂的弹性模量E=907.42MPa，=0.072。323拉伸强度可以按照公式3.4计算:F(3.4)bd式中：F为最大载荷，b为试件宽度，d为试件厚度。根据拉伸试验得到的载荷-位移曲线，可知：最大载荷为5350N,试样宽度为10mm,试样厚度为8mm,代入求解可得：复合材料主方向的拉伸强度=670MPa。复合材料的性能主要取决于增强纤维强度，拉伸时在薄弱点处的纤维（受力较大或有缺陷）开始断裂，在拉伸过程中，通过树脂基体和纤维的传递作用传递剪应力，应力的重新分布导致相邻纤维的应力增大，从而使断裂的纤维逐渐增多，直至破坏。纤维增强复合材料的破坏是由材料内部固有的小缺陷发生的，这些缺陷是断裂的纤维、基体中的裂纹或者界面的脱粘。拉伸破坏的形式包括纤维断裂、纤维脱胶、纤维拔出、基体变形和开裂，界面脱粘和分层裂纹。拉伸破坏的过程[21]就是这些基本损伤形式的形成和扩展过程。利用光学显微镜对拉伸试样断口进行观察，试样破坏的宏观形态如图3-7（a）所示，断裂失效发生在标距区间中部符合有效断口形状。从图3-7（b）（c）可知：拉伸断口最典型特征是纤维拔出断裂，破坏断口形状基本上是平端口，较为整齐，纤维束明显都被拉断，几乎没有出现分层。这是因为所有连续纤维方向均为0°，可以认为试样是横向各向同性层的叠加，拔出的纤维表面无基体附着，表面较光滑，可以看出界面的粘接性不牢。18 3试验及数值解析(a)(b)(c)图3-7拉伸试样破坏的典型形态Fig.3-7Typicalfailureofspecimen通过拉伸试验及对断口进行分析可知：①纤维增强树脂基复合材料在破坏前没有明显拉伸屈服点，也无明显的破坏征兆当外力达到峰值应力时，应力-应变曲线突然跌落，本质上属于脆性材料。②本材料具有良好的弹性性能，直到破坏前，应力-应变基本成线性关系，该试件表现出明显的线弹性特征。③拉伸试验最主要的破坏形式是纤维拔出断裂，破坏断口基本上是平端口。3.2.2弯曲试验复合材料在使用过程中，一方面要有较大的比强度和比模量，另一方面要消除由于层间角度变化而导致层间强度降低的缺陷。弯曲试验是采用无约束的支撑，在一个恒定的加载速率下使试样破坏，可以测定层间剪切强度是否达到设定的要求。试验按照GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准执行。弯曲试验采用无约束的支撑，在一个恒定的加载速率下使试样破坏，试验按照GB/T1449-2005《纤维增强塑料弯曲性能试验方法》标准执行。试验装置及加载示意图如图3-8、3-9所示。采用三点加载方式，试样在弯曲过程中既受到弯矩作[22]用，也受剪力作用，剪切影响随着跨厚比的增大而逐渐减小，一般取试样宽度15mm左右，厚度不大于10mm,跨厚比一般为16。对于手糊制品或多向纤维增强复合材料来讲，由于材料的层间强度相对较高，弯曲试验时不易出现层间破坏，[23]可将跨厚比适当减小至10或12，所以试样的跨厚比取10，根据表3-1选用试样的型式和尺寸如图3-10所示：19 重庆大学硕士学位论文图3-8弯曲试验图3-9弯曲试验示意图Fig.3-8BendingexperimentFig.3-9Bendingexperimentconfiguration图3-10弯曲试样Fig.3-10Bendingsample表3-1弯曲试样的尺寸Table3-1Bendingsamplesize(mm)厚度热塑性塑料宽度（b）热固性塑料宽度（b）最小长度（Lmin）1