玻纤增强微发泡注塑薄壁结构件的力学性能多尺度研究

摘要

玻璃纤维增强树脂基复合材料凭借其强度高、质量轻、绝缘耐温性、耐蚀性好等优点，广泛应用于各行各业，尤其在汽车工业（零部件）中。但是，由于其复杂多变的内部结构，在表现出优异且复杂力学性能的同时，往往也给广大研究工作者带来巨大的挑战。然而，基于双尺度渐近展开均匀化方法的兴起，给复合材料力学性能的研究提供了新的思路，许多对单向连续纤维增强复合材料力学参数的研究结果表明，均匀化方法相较于其它方法往往能给出很好的预测。
　　首先，本文以长玻纤增强注塑样条为研究对象，基于其断面的玻纤分布显微观察，建立了相应的RVE模型，通过均匀化方法的有限元求解，获得了长玻纤增强复合材料的弹性力学性能，并与样条拉伸模量对比分析，研究了运用均匀化方法预测非连续长玻纤增强 PP弹性力学性能的可行性。同时，研究了玻纤增强结构件和发泡材料的构形规律，并参数化分析了各组分弹性模量、泊松比、玻纤取向等因素对其力学性能的影响。
　　随后，本文以微发泡注塑薄壁门板切割样条为研究对象，基于其断面结构显微观察建立表皮层和发泡层的RVE模型，然后将均匀化方法与ABAQUS模拟仿真相结合，分别获得表皮层和发泡层的弹性力学参数，先后进行了玻纤增强 PP发泡结构样条在实体单元和壳单元下的弯曲仿真线弹性分析，并与实验结果比较。对比结果表明，壳单元仿真结果具有较高的准确度。此外，本文在壳单元模型基础上，初步研究了玻纤增强 PP微发泡注塑结构件的非线性性能，并与弯曲试验曲线对比，拟合出发泡层的简化两段刚度力学参数。
　　研究表明：均匀化方法预测非连续长玻纤增强注塑件的等效弹性力学性能具有较高的工程可行性，能进一步为玻纤增强注塑件的结构服役性能分析提供科学依据；本文提出的RVE建模方法考虑了纤维两端 PP的长度，较传统的连续纤维 RVE模型更为合理；运用 ABAQUS分析发泡层的弹性模量具有较高的可靠性；壳单元模型仿真较实体单元更为准确，且灵活度更高。

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上海交通大学硕士学位论文答辩决议书

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第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.3 主要研究内容

第二章 基础理论

2.1 薄壁注塑件的纤维取向

2.2 基于双尺度渐近展开的均匀化方法

2.3 弹性本构理论

第三章 RVE研究方法及其可行性验证

3.1 基于有限元法的RVE研究路线

3.2 非连续纤维增强复合材料的RVE研究

3.3 微发泡材料的RVE研究

3.3 本章小结

第四章 基于RVE方法的微发泡PP/GF弹性力学参数研究

4.1 试验样条取样

4.2 表皮层的弹性力学研究

4.3 发泡层的弹性力学研究

4.4 微发泡PP/GF样条的三维仿真与弯曲性能测试验证

4.5 本章小结

第五章 工程问题的CAE仿真及应用

5.1 工程背景

5.2 基于壳单元模型的线弹性仿真方法

5.3 基于壳单元模型的非线性仿真研究

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间已发表的论文或专利