復合材料解決方案

復合材料解決方案

  通過模擬計算分析碳鋼纖維復合材料(CSFRP)的細觀組織和力學性能,并通過實驗驗證了模擬力學性能的可靠性,從而降低了碳鋼纖維復合材料(CSFRP)的研發周期和研發成本。

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背景與現狀

  ?    汽車領域一直追求不斷降低油耗和能量消耗,其輕量化已成為趨勢,而碳纖維復合材料(CFRP)由于其比強度、比模量高的特點,在汽車輕量化過程中有很大的應用前景。近年來隨著國際及國內碳纖維價格的下降,碳纖維復合材料在汽車上的應用范圍也不斷拓寬。其可作為受力骨架、底盤、車頂、車門、保險杠、輪轂、傳動軸、板簧等,其車種也有高檔跑車到普通轎車、客車和火車等。

  ?    碳纖維復合材料(CFRP)的脆性破壞行為限制了在沖擊(例如工具掉落、輪胎碎片、冰雹撞擊)和碰撞事件的情況下的損傷容限。此外,碳纖維復合材料(CFRP)結構的導電性對于某些應用來說是不夠的,因此必要的時候需要額外的金屬部件,以提供電氣功能的結構。一種新的解決方法是將高導電性和延展性的連續金屬纖維摻入碳纖維復合材料?;舅枷朧墻餼黽山鶚糲宋牡嫉縲院統性嗇芰?,以同時提高復合材料的導電性和損傷容限。

  ?    如何對單層材料快速設計,如何進201903201553060463218273.jpg行快速鋪層設計,如何快速、高效的

清楚復合材料的薄弱點等一系列的復合材料設計難點急需一套完整的解決方案。


解決方案

  ?    以某汽車復合材料的研究為案例詳細介紹復合材料設計過程中的難點。本案例主要通過模擬計算分析碳鋼纖維復合材料的細觀組織和力學性能,并通過實驗驗證了模擬力學性能的可靠性,從而降低了碳鋼復合材料的研發周期和研發成本。碳鋼纖維復合材料的設計思路:(1)確定基體與增強體的材料與結構;(2)對復合材料進行建模,初選鋪層順序;(3)對復合材料模型進行數字分析,包括幾何分析、力學分析、流動仿真和導電性等分析;(4)通過分析結果的可視化分析薄弱點,對設計參數進行調整,直至獲得較優的參數;(5)生產制造樣品,進行試驗,確定最后的設計參數與流程。

1.確定材料結構與鋪層順序201903201553060826246260.jpg

CFRP為碳纖維復合材料。

SFRP為鋼纖維復合材料。

SCFRP為碳鋼纖維復合材料。

UD為纖維單向鋪層。

MD為纖維多角度鋪層。

2.建立模型

CFRP UD和SFRP UD元素長度為0.5μm,在X-Y-Z方向上的尺寸為1x200×200。

CFRP MD和SCFRP 10i 0°MD模型代表截面的一半,并且具有相同的尺寸。

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3.SCFRP 10i 0°MD力學性能分析

SCFRP 10i 0°MD材料的模擬對該軟件提出了很高的要求,因為材料特性和纖維直徑不同(鋼60μm,碳7μm)。在約1.9%應變下,0°層的層壓板失效,導致應力-應變曲線和層壓板剛度大幅度下降,第一層的剛度和破壞點與實驗吻合得很好。


4.碳鋼纖維復合材料的可視化

為了了解材料的功能和微觀力學行為,將模型分析結果可視化,以便發現設計薄弱點。

圖1為加載過程的仿真結果。在1%應變時,可以清楚地看到上0°層承載了大部分載荷。當該層在1.8%應變下失效時,層內的應力以及宏觀應力顯著下降。

圖2為環氧樹脂模型應力-應變對其損傷參數關系,損傷參數為0~1。在1.8%應變下,基體損傷主要發生在±45°和90°范圍。直至應變為4.5%時,基體損傷發生在所有層中,整個基體幾乎被破損。

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