热塑性聚烯烃类复合材料本构建模与力学性能仿真

摘要

汽车轻量化是实现节能和环保的主要措施之一，使用轻量化的工程塑料可以有效减轻汽车重量。为了进一步扩大工程塑料在汽车上的使用量，近年来开发了以聚丙烯PP(Polypropylene)为基体、弹性体和无机粒子等为添加相的三元共混材料，该共混物被称为热塑性聚烯烃TPO(Thermoplastic olefin)复合材料。TPO复合材料具有良好的尺寸稳定性、耐冲击性以及高强度等优异的力学性能，正向着服役条件比较苛刻的汽车构件扩展，成为汽车用工程塑料的重要发展方向。为了理解复合材料力学性能与添加相和变形条件的耦合关系，达到材料组分的优化设计，有必要开展TPO材料力学性能研究；同时数值仿真技术是部件服役性能评价和汽车安全性分析的主要方法，为此需要合适的材料力学本构模型。目前，现有的复合材料本构模型不能准确描述该类TPO复合材料在大变形和高应变速率条件下的各相耦合力学行为以及各相性能对复合材料综合力学性能影响。因此，需要建立适用描述各种变形条件且能反映组分影响的TPO复合材料的力学本构模型。
　　 本文以车用新型TPO复合材料为研究对象，采用实验分析和数值仿真相结合手段，对该TPO材料在大变形过程中的力学性能进行了详细研究。实验揭示了变形条件和添加物含量对TPO材料力学性能的影响规律；采用细观力学模型、分子网络理论和切线模量计算方法，建立了TPO复合材料的大变形本构模型，并通过用户子程序把本构模型嵌入ABAQUS/Explicit模块中，为研究该TPO复合材料的虚拟碰撞变形提供仿真平台。具体开展了以下几个方面的研究工作：
　　 (1)TPO复合材料力学性能实验研究
　　 针对汽车用复合材料的应用环境，对TPO复合材料和PP基体进行了相关变形条件下的力学试验研究。通过低速拉伸试验研究了材料在不同变形条件下的静态力学性能；通过动态弯曲试验和高速拉伸试验研究了材料的动态力学特征。揭示了该类TPO材料具有典型的线性弹性变形、屈服和非线性应变硬化变形行为，并具有明显的组分份数、应变速率和温度相关性。PP基体则表现出很强的脆性。实验结果为理解TPO复合材料和基体的力学性能，以及为材料力学本构建模提供了基础。
　　 (2)TPO复合材料本构建模和理论基础研究
　　 在上述实验结果的基础上，对TPO复合材料大变形条件下的力学本构模型进行了建模研究。首先，分析了TPO类复合材料的变形机理。其次，通过分子链变形演变理论描述了基体变形行为，并通过弹性理论描述了添加相的变形行为。最后，通过细观力学模型耦合各组分的力学行为，提出了具有明确物理意义的TPO复合材料本构模型，通过与实验对比，验证了模型的准确性。该本构模型能够统一地表征出聚丙烯/弹性体/无机粉体类复合材料的大变形力学行为，具有一定的适用性，为描述该类材料的变形行为提供了理论基础。
　　 (3)TPO复合材料变形仿真分析与实验验证
　　 通过材料用户子程序开发，将提出的本构模型嵌入有限元分析软件ABAQUS/Explicit模块中，建立了TPO复合材料动态大变形数值仿真系统。以此为基础，数值分析了TPO复合材料在多种变形条件下的变形行为，得到了聚合物特有的颈缩与颈缩传递等变形特征。通过与实验结果对比，验证了该仿真方法的工程可靠性，该研究成果可为TPO材料产品设计和安全分析提供有效方法。
　　 (4)典型TPO复合材料构件碰撞仿真研究
　　 采用建立的仿真方法，对三点弯曲变形进行了数值仿真。与实验对比表明，建立的仿真系统可以预测不同变形状态下TPO复合材料实际变形特征。同时，也开展了典型TPO复合材料构件冲击响应与力学性能数值预测。清晰地模拟了箱盖的碰撞变形过程和不同冲击速度、不同冲击角度条件下的力学性能，为TPO吸能部件的汽车被动安全模拟提供了可行的有限元工具和参考价值。
　　 本文在充分吸收和借鉴前人研究成果的基础上，以实验和数值仿真的方法对TPO复合材料的力学性能进行了深入探讨，揭示了组分和变形条件对其变形过程力学性能的影响规律，提出了具有明确物理意义的本构模型，建立了TPO复合材料大变形条件的数值仿真系统，对指导实际产品开发和安全性分析，提高产品的设计效率，推动轻质新材料在汽车制造中的应用，具有重要的理论研究价值和工程实践意义。

目录

文摘

英文文摘

上海交通大学博士学位论文答辩决议书

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 TPO复合材料介绍

1.2.1 高分子聚合物分类

1.2.2 TPO复合材料变形机制

1.3 多相材料的有效力学性能研究方法概述

1.3.1 非相互作用模型

1.3.2 自洽法

1.3.3 广义自洽法

1.3.4 MORI-TANAKA法(有效场法)

1.4 聚合物本构建模概述

1.4.1 屈服模型

1.4.2 应变硬化模型

1.5 复合材料结构力学性能数值分析研究

1.6 进一步研究的方向

1.7 研究目标和内容

1.7.1 研究目标

1.7.2 研究内容

第二章 聚合物大变形本构模型和理论基础研究

2.1 引言

2.2 非晶聚合物大变形本构模型

2.2.1 屈服模型

2.2.2 应变软化模型

2.2.3 应变硬化模型

2.3 有限元基本理论和算法

2.3.1 显式算法实现

2.3.2 接触面算法

2.4 复合材料弹塑性本构方程与LAGRANGE驱动应力法有限元模型

2.4.1 大变形有限元法

2.4.2 复合材料弹塑性驱动应力法有限元模型

2.5 本章小结

第三章 TPO复合材料及其基体动态大变形力学性能研究

3.1 引言

3.2 TPO复合材料和PP基体力学性能实验研究

3.2.1 试样材料

3.2.2 准静态力学性能实验

3.2.3 动态冲击力学性能实验

3.2.4 动态拉伸力学性能实验

3.3 TPO复合材料动态力学性能分析

3.3.1 应变速率对TPO复合材料动态力学性能的影响

3.3.2 温度对TPO力学性能的影响

3.3.3 橡胶含量对TPO力学性能的影响

3.3.4 滑石含量对TPO力学性能的影响

3.4 PP聚合物动态力学性能分析

3.4.1 应变速率对PP聚合物力学性能的影响

3.4.2 温度对PP聚合物力学性能的影响

3.5 本章小结

第四章 TPO复合材料大变形本构建模研究

4.1 引言

4.2 添加相本构模型研究

4.2.1 橡胶本构模型

4.2.2 滑石本构模型

4.3 基于分子网络模型PP本构建模

4.3.1 PP基体聚合物有限应变

4.3.2 初始弹性变形

4.3.3 塑性屈服

4.3.4 应变硬化

4.3.5 塑性应变率

4.4 基于细观力学理论的TPO复合材料本构模型研究

4.4.1 各相切线弹性模量研究

4.4.2 TPO复合材料本构建模

4.5 TPO本构模型参数确定

4.5.1 应变速率相关参数

4.5.2 温度相关参数

4.5.3 应变速率和温度相关参数

4.6 TPO本构模型计算结果及讨论

4.7 本章小结

第五章 TPO复合材料大变形过程模拟研究

5.1 引言

5.2 基于TPO复合材料本构模型的有限元算法流程

5.3 数值仿真模型

5.4 网格尺寸敏感性分析

5.5 TPO复合材料模拟变形分析与验证

5.5.1 准静态和动态拉伸变形仿真模拟研究

5.5.2 高温和低温变形仿真模拟研究

5.5.3 橡胶含量对TPO力学行为影响的模拟分析

5.5.4 滑石含量对TPO力学行为影响的模拟分析

5.6 本章小结

第六章 新型TPO类复合材料在车辆构件的应用研究

6.1 引言

6.2 TPO复合材料冲击仿真分析和实验验证

6.2.1 TPO复合材料冲击模拟

6.2.2 TPO复合材料冲击实验

6.2.3 冲击模拟结果与实验结果对比

6.3 典型复合材料构件碰撞模拟

6.3.1 碰撞有限元模型

6.3.2 模拟计算结果分析

6.4 本章小结

第七章 结论与展望

7.1 主要研究内容与结论

7.2 主要创新点

7.3 研究工作进一步展望

参考文献

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

致谢