纤维增强热塑性复合材料模压成型与低速冲击性能研究

摘要

汽车轻量化是降低油耗和空气污染的有效途径之一，玻璃纤维编织聚丙烯复合材料(Glassfiberreinforcedpolypropylenecomposites，简称GF/PP)作为一种新型的先进轻质轻量化材料，集优异的力学性能和低廉的成本于一身，生产效率高，可以高效回收利用，在汽车上的应用范围十分广泛。GF/PP材料通过冲压成型工艺可以快速成型具有复杂轮廓的汽车零部件，具有生产效率高，一体化程度高等优点，已经成为各大汽车厂商竞相发展的新技术。虽然国际上已有针对玻璃纤维编织热塑性复合材料的成形性的初步研究，但是关于GF/PP材料力学表征的研究还不够全面，对其成形性能及失效准则的研究还比较缺乏。同时，GF/PP复合材料具有出色的韧性与抗冲击特性，当其作为覆盖件应用于车身上时不可避免地要遭遇碰撞冲击，目前关于GF/PP材料面外冲击响应的研究仍处于探索阶段，如何充分扩大材料在抵抗冲击载荷方面的优势对其在车身上的应用意义重大。受金属成形试验的启发，本文首先细致地对GF/PP进行了参数表征研究；然后通过开展GF/PP的胀形实验研究了其成型特性及失效模式，建立了相应的基于FLC(Forminglimitcurve，简称FLC)的材料失效准则；进一步通过面外低速冲击实验全面地研究了不同冲击条件对其变形模式及吸能特性的影响规律，然后通过GF/PP层合板胀形仿真验证了FLC准则的可靠性，最后通过将FLC准则引入低速冲击仿真中验证了FLC准则在实际低速冲击应用中的可行性。主要研究内容如下：　　(1)本文介绍了GF/PP材料预浸料及层合板的材料制备与成型工艺，然后对材料的基本力学与热力学性能进行了系统的表征，最后研究了GF/PP材料在不同温度下力学性能的变化规律。　　(2)本文建立了一种新颖的热塑性复合材料成型性能评价方法，提出了一种新型GF/PP胀形试件设计方法，通过对一系列不同尺寸的GF/PP试件进行胀形实验，分析了GF/PP在胀形过程中出现的失效模式及产生机制，建立了适应于评价GF/PP材料的破裂失效行为的成形极限曲线(FLC)。　　(3)本文分别制备了GF/PP和CF/PP(Carbonfiberreinforcedpolypropylenecomposites，简称CF/PP)层合板试件，对其进行了低速冲击实验。研究了冲击能量和材料层数对GF/PP和CF/PP两种材料的峰值力、吸能以及损伤模式等关键性能指标的影响规律。　　(4)为进一步推广FLC失效准则在GF/PP成型工艺中的应用，本文将FLC失效准则作为材料失效判据嵌入子程序中，对GF/PP胀形实验和低速冲击实验进行仿真分析，发现基于FLC失效准则的仿真结果与实验结果吻合度较高，表明采用同一种FLC失效准则来评估GF/PP的冲压胀形和低速冲击工况是可行的。　　综上，本文将纤维增强热塑性复合材料的变形历史与破坏机理有机的结合起来，进一步考虑了材料冲压性能评价与低速冲击性评价，建立了适合于评价纤维增强热塑性复合材料的成型极限评价准则，并成功的应用到了仿真之中，统一了GF/PP材料的成型与仿真准则，是纤维增强热塑复合材料在汽车上应用的一种新的尝试。

目录

声明

第 1 章绪论

1.1 课题研究背景和意义

1.2 国内外相关领域研究现状

1.2.1 热塑性复合材料概述

1.2.2 热塑性复合材料成型实验研究

1.2.3 热塑性复合材料低速冲击性能研究

1.2.4 热塑性复合材料数值模拟研究

1.3 本文的研究思路与主要内容

1.4 本文的特色与创新性工作

第 2 章 GF/PP 材料综合力学性能测试

2.1 引言

2.2 GF/PP 材料成型工艺与基体热力学测试

2.2.1 材料制备与成型工艺

2.2.2 聚丙烯基体热力学性能测试

2.3 GF/PP 材料层合板基础力学性能测试

2.3.1 单轴拉伸性能测试

2.3.2 面内剪切性能测试

2.3.3 压缩性能测试

2.4 GF/PP 材料不同温度下拉伸性能测试

2.5 本章小结

第 3 章 GF/PP 材料冲压成型实验研究

3.1 引言

3.2 试件准备与实验介绍

3.2.1 试样设计

3.2.2 冲压试验设备

3.3 变形和失效模式分析

3.3.1 典型失效模式介绍

3.3.2 试件失效模式的对比分析

3.4 成形极限图的建立与对比分析

3.4.1 沙漏型试件成形极限图的建立

3.4.2 开槽型试件成形极限图的建立

3.4.3 试件变形历程与对比分析

3.5 本章小结

第 4 章 GF/PP 与 CF/PP 材料低速冲击性能研究

4.1 引言

4.2 试件准备与实验介绍

4.2.1 试件制备

4.2.2 实验设计

4.3 实验结果分析

4.3.1 低速冲击表面失效形貌对比分析

4.3.2 低速冲击载荷-位移响应分析

4.3.3 低速冲击吸能分析

4.4 本章小结

第 5 章 GF/PP 材料有限元分析

5.1 引言

5.2 本构模型介绍

5.3 半球冲压胀形实验有限元模拟

5.3.1 冲压胀形模型的建立

5.3.2 O/B200-N 试件有限元仿真结果

5.3.3 O/B100-N 有限元仿真结果

5.3.4 O/B40-N 有限元仿真结果

5.4 低速冲击实验有限元模拟

5.4.1 低速冲击实验模型的建立

5.4.2 仿真与实验结果对比

5.5 本章小结

总结与展望

参考文献

附录 A 攻读学位期间发表的学术论文

致 谢