基于ABAQUS的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真

研究与开发

合成纤维工业ꎬ２０１９ꎬ４２(２):１６ＣＨＩＮＡ㊀ＳＹＮＴＨＥＴＩＣ㊀ＦＩＢＥＲ㊀ＩＮＤＵＳＴＲＹ

㊀㊀

收稿日期:２０１８￣１０￣０２ꎻ修改稿收到日期:２０１９￣０１￣２５ꎮ作者简介:张华伟(１９８３ )ꎬ男ꎬ讲师ꎬ主要从事纤维增强复合材料的研究与教学工作ꎮＥ￣ｍａｉｌ:ｚｈａｎｇｈｗ＠ｎｅｕｑ.ｅｄｕ.ｃｎꎮ

基金项目:国家自然科学基金项目(５１４７５０８６)ꎻ河北省自然科学基金项目(Ｅ２０１６５０１１１８)ꎻ中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(Ｎ１７２３０４０３６)ꎻ河北省高等学校科学技术研究重点项目(ＺＤ２０１７３１５)ꎮ㊀

∗通信联系人ꎮＥ￣ｍａｉｌ:２４７３２８２１０＠ｑｑ.ｃｏｍꎮ

基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料

板热冲压成形仿真

张华伟ꎬ李博宏∗

(东北大学秦皇岛分校控制工程学院ꎬ河北秦皇岛０６６０００)

摘㊀要:基于ＡＢＡＱＵＳ有限元分析软件对碳纤维增强聚醚醚酮(ＰＥＥＫ)复合材料板的热冲压成形工艺进行

模拟ꎬ分析了复合材料在热冲压过程中的受力及变形特性ꎬ探讨了纤维铺层夹角㊁复合材料板层数和复合层类型对其成形性能的影响ꎮ结果表明:可以利用复合材料的工程常数建立材料的本构模型ꎻ在复合层类型的选择中ꎬ 三维实体￣连续壳 更符合实际情况ꎬ仿真效果更好ꎻ复合材料的纤维铺层夹角是其热冲压成形的主要影响因素ꎬ而且同其他的纤维铺层夹角(０ʎꎬ３０ʎꎬ４５ʎ)相比ꎬ复合材料在铺层夹角为９０ʎ时热冲压受力较好ꎬ但应变也较大ꎬ容易发生破坏ꎻ当总厚度一定时ꎬ复合材料板层数对材料的受力无明显影响ꎻ选择复合层类型为连续壳㊁９０ʎ夹角的复合材料板建立热冲压模型ꎬ仿真效果最好ꎮ

关键词:碳纤维㊀复合材料㊀热冲压成形㊀有限元模型㊀模拟仿真

中图分类号:ＴＱ３４２＋.７４㊀㊀文献标识码:Ａ㊀㊀文章编号:１００１￣００４２(２０１９)０２￣００１６￣０５

㊀㊀复合材料是由两种或多种不同性质的材料用物理和化学方法在宏观尺度上组成的具有新性能的材料ꎮ通常来说ꎬ复合材料除了具有其组合材料的原始性能之外ꎬ还会产生一些原来组分材料所没有的新的性能ꎬ从而使得复合材料在强度㊁刚度㊁热力学等性能上有了一定幅度的改善[１]ꎮ

碳纤维增强树脂基复合材料具有较高的强

度ꎬ相对比金属材料来说ꎬ更加耐腐蚀㊁绝缘性好㊁制作方式简单ꎮ而且ꎬ碳纤维复合材料的密度小㊁比强度高ꎬ具有较好的轻量化效果和抗冲击性能ꎮ但这种材料也有其不足之处:材料各向异性严重㊁常温下成形性能差㊁生产成本较高等ꎮ张琦等[２]研究了碳纤维复合材料板的非等温模具热冲压ꎬ并以实验与有限元仿真结合的方式对纤维编织复合材料进行了分析ꎮ堵同亮等

[３]

建立了碳纤维

编织复合材料的超弹性本构模型ꎬ研究了碳纤维编织复合材料在冲压成形带有双曲率曲面的结构件时的纤维重新排布和重新取向ꎮ但这些研究多数是以细观力学的分析方法来对复合材料冲压工艺仿真建模ꎬ对于从宏观的角度利用工程常数建模仿真的研究还相对较少

[４－８]

ꎮ

ＡＢＡＱＵＳ软件是一款功能强大的有限元分析

软件ꎮ在工程应用方面ꎬＡＢＡＱＵＳ基于丰富的单元库ꎬ可以用于模拟绝大多数的常见工程材料ꎬ如金属㊁聚合物㊁复合材料㊁橡胶等ꎮ

作者利用ＡＢＡＱＵＳ软件对碳纤维复合材料

板的宏观力学行为进行了研究ꎬ建立了碳纤维复合材料板在高温状态下的本构模型ꎬ在此基础上构建了碳纤维复合材料热冲压成形的有限元模型ꎬ完成了成形过程的有限元仿真ꎬ对比了不同的复合层类型㊁铺层角度㊁铺层层数对碳纤维复合材料板热冲压成形的影响ꎬ研究结果对于碳纤维复合材料零件在汽车轻量化上的应用[９]具有一定的指导意义ꎮ１㊀实验

１.１㊀原材料

连续碳纤维:牌号为Ｔ１１００Ｇꎬ日本东丽公司生产ꎻ聚醚醚酮(ＰＥＥＫ)树脂:牌号为ＫＴ￣８２０ＮＬꎬ熔点３４０ħꎬ索尔维集团产ꎮ

１.２㊀碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料的制备

对于碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料ꎬ工业上常采用热压法进行制备ꎮ其主要工艺流程为:首先将碳纤维和预处理过的ＰＥＥＫ薄膜交替铺层在清洗干净的模具中ꎬ然后将模具放入已经预热一段

时间的平板硫化机内ꎬ将温度提升到一特定温度ꎬ同时加压至设定的压力ꎬ保压一段时间ꎮ待到温度自然冷却至ＰＥＥＫ树脂的玻璃化转变温度以下ꎬ完成脱模ꎬ则可以得到碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料板[１０－１１]ꎮ设置参数:热压温度３９５ħꎬ热压压力２.５ＭＰａꎮ

１.３㊀复合材料板工程常数的拟定

对于仿真建模来说ꎬ此处可以利用复合材料的工程常数来建立碳纤维复合材料板的本构模型ꎬ即从细观力学入手设置参数ꎬ最后结合宏观力学的方法来进行仿真模拟分析ꎮ

复合材料工程弹性常数共有９个ꎬ即该材料的三个方向上的弹性模量(Ｅ１ꎬＥ２ꎬＥ３)㊁三个方向上的泊松比(ｖ１２ꎬｖ１３ꎬｖ２３)和三个方向上的剪切模量(Ｇ１２ꎬＧ１３ꎬＧ２３)ꎮ其中Ｅ１为主方向上的弹性模量ꎬ即本材料中的连续纤维方向ꎮ

通过相关文献可以查得常温下碳纤维复合材料的Ｅ１为１５０~４５０ＧＰａ[１２]ꎮ横截面积为Ａꎬ连续纤维与基体的横截面积分别为ＡｆꎬＡｍꎬ于是有:

σ１Ａ＝σｆＡｆ＋σｍＡｍ(１)式中:σ１为主方向上的应力ꎻσｆ为连续纤维截面应力ꎻσｍ为基体的应力ꎮ

考虑到应力与模量的关系ꎬ则有:

Ｅ１＝ＥｆＡｆＡ＋ＥｍＡｍＡ(２)式中:Ｅｆ为连续纤维截面的弹性模量ꎻＥｍ为基体的弹性模量ꎮ

其他工程常数可选用ＰＥＥＫ材料的基本参数[１３－１５]ꎮ因此ꎬ拟定采用的复合材料工程常数如表１所示ꎮ

表１㊀碳纤维增强复合板材工程常数

Ｔａｂ.１㊀Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｃｏｎｓｔａｎｔｏｆｃａｒｂｏｎｆｉｂｅｒ

ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄｃｏｍｐｏｓｉｔｅｐｌａｔｅ

项目参数

Ｅ１/ＭＰａ３２８００.０

Ｅ２/ＭＰａ４８.３

Ｅ３/ＭＰａ４８.３

ｖ１２０.４

ｖ１３０.４

ｖ２３０.４

Ｇ１２/ＭＰａ１１.４

Ｇ１３/ＭＰａ１１.４

Ｇ２３/ＭＰａ１１.４

１.４㊀基于ＡＢＡＱＵＳ的冲压成形仿真建模方案在ＡＢＡＱＵＳ中进行几何建模ꎬ建立半球冲压仿真的模型ꎬ设定Ｚ方向为冲压方向ꎮ将冲头㊁压边框以及下模视为刚体ꎮ进行网格划分时ꎬ对于碳纤维复合材料板ꎬ选择了常规壳和连续壳两种复合层类型ꎬ其网格单元选择Ｓｈｅｌｌ中的Ｓ４Ｒ

(常规壳)和ＣｏｎｔｉｎｕｕｍＳｈｅｌ１中的ＳＣ８Ｒ(连续壳)单元类型[１６－１９]ꎬ其余部件如冲头等采取仿真分析中常用的Ｃ３Ｄ１０Ｍ单元类型ꎮ为了保证精度ꎬ板材采用细化网格ꎬ同时为了提高运算效率ꎬ对冲头㊁压边框和下模采用粗网格划分ꎬ如图

１ꎮ

图１㊀热冲压模型示意

Ｆｉｇ.１㊀Ｓｋｅｔｃｈｏｆｓｔａｍｐｉｎｇｍｏｄｅｌ

㊀㊀设定碳纤维增强ＰＥＥＫ复合材料板处于２００ħ适宜冲压的状态ꎬ选用实验试件为厚度０.３ｍｍꎬ边长为５００ｍｍ的正方形材料板ꎬ用于成形热冲压深度为１００ｍｍ的半球形拉伸件ꎮ

复合层纤维铺层夹角选取４种方式ꎬ即０ʎ㊁间隔３０ʎ㊁间隔４５ʎ( 米 字型铺层)与９０ʎ( 十 字型铺层)排布ꎮ复合层的层数与每层厚度由被冲压材料板的总厚度确定ꎬ即总厚度不变ꎬ单层材料厚度与层数成反比ꎮ冲压板总厚度为０.３ｍｍꎬ复合层层数设置为６ꎬ８ꎬ１２ꎬ２０ꎬ３０层５个等级ꎮ２㊀结果与讨论

２.１㊀复合层的类型选择对仿真结果的影响针对复合层类型ꎬ进行了两种建模方式ꎬ即常规壳￣三维壳单元建模和连续壳￣三维实体单元建模ꎬ其应力云图分别见图２㊁图

３ꎮ

图２㊀４５ʎ复合层类型的应力云图对比

Ｆｉｇ.２㊀Ｓｔｒｅｓｓｎｅｐｈｏｇｒａｍｓｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆｔｈｅ

ｔｙｐｅｏｆ４５ʎｃｏｍｐｏｓｉｔｅｌａｙｅｒ

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第２期㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀㊀张华伟等.基于ＡＢＡＱＵＳ的碳纤维复合材料板热冲压成形仿真