多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料汽車(chē)門(mén)低速碰撞數(shù)值模擬

高 哲， 蔣高明,2(.江南大學(xué) 教育部針織技術(shù)工程研究中心， 江蘇 無(wú)錫 2422； 2.江南大學(xué)-德克薩斯大學(xué)新型針織結(jié)構(gòu)材料國(guó)際聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室， 江蘇 無(wú)錫 2422)

多軸向經(jīng)編復(fù)合材料(MWKC)的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)為典型的無(wú)屈曲多軸向經(jīng)編織物(MWK)，由軸向紗和捆綁紗2個(gè)紗線系統(tǒng)組成[1-3]。軸向紗按照設(shè)計(jì)角度平行伸直排列，形成多軸向紗層，并利用經(jīng)編組織結(jié)構(gòu)沿厚度方向?qū)⒓唽咏壙`在一起形成整體織物結(jié)構(gòu)，非常適合制備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)潔、曲率平緩的大型結(jié)構(gòu)件；此外，該結(jié)構(gòu)在復(fù)合成型時(shí)，有效地避免了樹(shù)脂聚集區(qū)的出現(xiàn)，并且樹(shù)脂浸潤(rùn)均勻。因此，在制備厚度較小的曲面薄殼復(fù)合材料方面具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。在相關(guān)應(yīng)用中，汽車(chē)殼體具有很強(qiáng)的代表性。近年來(lái)，新能源汽車(chē)成為了全球汽車(chē)消費(fèi)的熱點(diǎn)，為使電動(dòng)汽車(chē)或油電混動(dòng)汽車(chē)獲得更強(qiáng)的動(dòng)力和更長(zhǎng)的續(xù)航里程[4-5]，車(chē)身減重成為這一類(lèi)新能源汽車(chē)的關(guān)鍵技術(shù)所在[6-8]。采用多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料制備的汽車(chē)殼體，質(zhì)量?jī)H為傳統(tǒng)鋼殼體質(zhì)量的40%，可使車(chē)身大幅減重。另外，隨著汽車(chē)保有量逐漸增加，交通擁堵過(guò)程中，車(chē)輛之間的低速碰撞時(shí)有發(fā)生[9-13]，因此，對(duì)復(fù)合材料車(chē)門(mén)的抗低速碰撞性能進(jìn)行模擬研究，符合汽車(chē)行業(yè)實(shí)際發(fā)展需要。

本文研究將多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料乘用車(chē)車(chē)門(mén)進(jìn)行低速碰撞有限元模擬，從車(chē)門(mén)的功能和安全性能等方面，對(duì)材料損傷進(jìn)行分析，同時(shí)將模擬結(jié)果與傳統(tǒng)鋼結(jié)構(gòu)白車(chē)身車(chē)門(mén)進(jìn)行對(duì)比，總結(jié)多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，研究成果將對(duì)該材料在未來(lái)新能源汽車(chē)領(lǐng)域的使用起到積極的推動(dòng)作用。

1 材料與模型

1.1 多軸向經(jīng)編復(fù)合材料

本研究中的多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料增強(qiáng)體為4層多軸向經(jīng)編織物(見(jiàn)圖1)層合而成的[0°/+45°/90°/-45°]4結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖2)。 樹(shù)脂基體為HS-2104-G60 不飽和聚酯樹(shù)脂(預(yù)促進(jìn))，在25 ℃下，加入1.5%的固化劑M-50，均勻混合后黏度為140～180 mPa·s，凝膠時(shí)間為50～70 min，其黏度較低，凝膠時(shí)間長(zhǎng)，適用于樹(shù)脂傳遞模塑成型(RTM)和真空注射成型工藝。由于乘用車(chē)車(chē)門(mén)以曲面形式存在，因此在主要沖擊區(qū)域采用多軸向經(jīng)編曲面結(jié)構(gòu)，根據(jù)實(shí)際車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)參數(shù)，曲率k設(shè)定為0.003 4 mm-1，多軸向經(jīng)編復(fù)合材料結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖3所示。

圖1 [0°/+45°/90°/-45°]4織物激光掃描顯微照片F(xiàn)ig.1 Image of [0°/+45°/90°/-45°]4 by laser scanning microscope

圖2 多軸向經(jīng)編復(fù)合材料增強(qiáng)體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Architecture of MWK reinforcement

圖3 多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料Fig.3 Curved multi-axial warp-knitted composites

1.2 車(chē)門(mén)低速碰撞有限元模型

本文中選用的白車(chē)身車(chē)門(mén)是國(guó)內(nèi)某品牌電動(dòng)乘用車(chē)的駕駛席車(chē)門(mén)。通過(guò)Solidwork軟件建立車(chē)門(mén)三維模型，車(chē)門(mén)材料厚度為1.05 mm。同時(shí)，在車(chē)門(mén)模型上，分別定義多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料和傳統(tǒng)汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼SAPH440的材料屬性(見(jiàn)表1)。在對(duì)模型做進(jìn)一步的幾何修整以適應(yīng)后續(xù)的computer aided emginoering(CAE)分析要求之后，將模型導(dǎo)入HyperMesh進(jìn)行前處理，包括定義材料、網(wǎng)格劃分、定義邊界條件、定義接觸和沙漏控制等。其中：約束門(mén)邊緣所有自由度；網(wǎng)格類(lèi)型為四邊形和三角形混合網(wǎng)格，得到網(wǎng)格數(shù)量為120 507個(gè)，三角形網(wǎng)格比例為3.9%；實(shí)心鋼球直徑為165 mm，質(zhì)量為 4.2 kg，對(duì)鋼球施加3.2 m/s的初始速度，垂直于車(chē)門(mén)水平撞擊，定義碰撞計(jì)算時(shí)間為50 ms；設(shè)定鋼球?yàn)閯傮w不變形。然后在LS-DYNA程序下進(jìn)行求解。乘用車(chē)車(chē)門(mén)低速碰撞有限元模型如圖4所示。

表1 多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車(chē)輛殼體與汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼SAPH440殼體的材料參數(shù)Tab.1 Parameters comparison between curved MWKC and SAPH440 for FEA

圖4 乘用車(chē)車(chē)門(mén)低速碰撞有限元模型Fig.4 Finite element model of car door low-velocity impact(a) Front view; (b) Side view

2 車(chē)門(mén)碰撞對(duì)比分析

為對(duì)比和揭示多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車(chē)門(mén)(DC)與傳統(tǒng)SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)(DS)在受到低速碰撞時(shí)的性能特點(diǎn)，本文在相同的車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)模型上分別定義2種材料屬性(即：多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料材料和汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)普遍應(yīng)用的汽車(chē)結(jié)構(gòu)鋼)，分析2種材料車(chē)門(mén)的應(yīng)力分布、車(chē)門(mén)變形量、侵入速度和車(chē)門(mén)內(nèi)能。

2.1 應(yīng)力分布

圖5示出DC與DS2種車(chē)門(mén)在鋼球撞擊達(dá)到最大行程(速度減為0時(shí))時(shí)應(yīng)力分布對(duì)比。由圖 5(a)可見(jiàn)，在鋼球撞擊達(dá)到最大行程時(shí)，DC承受最大應(yīng)力為199 MPa，應(yīng)力主要沿DC車(chē)門(mén)的x方向分布，應(yīng)力集中點(diǎn)在鋼球的撞擊核心區(qū)域。與DC相比較，DS在鋼球速度為0時(shí)，車(chē)門(mén)承受最大應(yīng)力為386 MPa，是前者最大應(yīng)力的2倍。

圖5 DC和DS在鋼球撞擊達(dá)最大程度的應(yīng)力分布對(duì)比Fig.5 Comparison of stress distribution between DC and DS

由圖5(b)可見(jiàn)，DS為SAPH440鋼材料，屬各向同性材料，其應(yīng)力分布范圍較DC更為寬泛，幾乎分布在整個(gè)車(chē)門(mén)上，且出現(xiàn)多個(gè)應(yīng)力集中點(diǎn)。但另一方面，DC所受應(yīng)力主要集中在車(chē)門(mén)中間部位，因此車(chē)門(mén)的主要損傷和變形也集中在此區(qū)域。而DS在鋼球撞擊中心位置和車(chē)門(mén)上部，均出現(xiàn)了應(yīng)力集中區(qū)，這2個(gè)位置成為車(chē)門(mén)損傷變形的主要區(qū)域；同時(shí)，由于應(yīng)力在整個(gè)車(chē)門(mén)充分傳播，因此在應(yīng)力集中區(qū)以外的多個(gè)位置也會(huì)出現(xiàn)不同程度的損傷和侵入變形。

在鋼球完成撞擊，反彈離開(kāi)車(chē)門(mén)時(shí)，DC的最大應(yīng)力為47 MPa，應(yīng)力明顯減小，而DS在此時(shí)的最大應(yīng)力仍為356 MPa，無(wú)明顯變化，如圖6所示。在鋼球撞擊完成時(shí)，DC車(chē)門(mén)的應(yīng)力已經(jīng)迅速減弱，而與此同時(shí)，車(chē)門(mén)并沒(méi)有出現(xiàn)大范圍變形，這說(shuō)明DC車(chē)門(mén)在受到低速撞擊時(shí)，內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)力的傳播和能量的消散起到了重要的作用，有效地緩解了應(yīng)力的集中。同時(shí)，與SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)DS相比，多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車(chē)門(mén)DC發(fā)生的塑性變形范圍更小，其彈性?xún)?yōu)于傳統(tǒng)SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)DS，且碰撞后恢復(fù)能力強(qiáng)。

圖6 DC和DS在鋼球反彈離開(kāi)車(chē)門(mén)時(shí)的應(yīng)力分布對(duì)比Fig.6 Comparison of stress distribution between DC and DS at impact away from door

2.2 車(chē)門(mén)侵入量

圖7、8分別示出DC和DS在相同時(shí)間節(jié)點(diǎn)的鋼球位移云圖對(duì)比。

圖7 DC車(chē)門(mén)在多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的鋼球位移云圖Fig.7 Displacement of DC at multi time nodes

由圖可看出，在相同時(shí)間點(diǎn)上DC鋼球位移量均大于DS上的鋼球位移量(lmax)，但是從云圖上看，前者的車(chē)門(mén)變形范圍要明顯小于后者。也就是說(shuō)，在相同的時(shí)間條件下，鋼球在DC車(chē)門(mén)上的位移侵入量要高于DS，即DC在y方向上的變形比DS更大，但是在x和z方向上的變形，前者小于后者。在共計(jì)50 ms的碰撞過(guò)程中，DC上的鋼球最大位移為60.2 mm，出現(xiàn)在第26.5 ms，而DS上的鋼球最大位移為35.5 mm，出現(xiàn)在第18.5 ms(見(jiàn)圖9)。

圖8 DS車(chē)門(mén)在多個(gè)時(shí)間節(jié)點(diǎn)的鋼球位移云圖Fig.8 Displacement of DS at multi time nodes

圖9 DC和DS鋼球最大位移對(duì)比Fig.9 Comparison of impactor max displacement between DC (a) and DS (b)

為進(jìn)一步說(shuō)明二者位移侵入量的差別，在2種車(chē)門(mén)變形最大的位置選取單元，考察和對(duì)比2種車(chē)門(mén)在該單元上車(chē)門(mén)侵入量，如圖10所示。由2種車(chē)門(mén)鋼球沖擊的位移-時(shí)間曲線可知，在車(chē)門(mén)最大變形區(qū)，DC鋼球位移距離是DS車(chē)門(mén)鋼球位移距離的1.6倍，且在所提取單元上，后者的鋼球最大位移出現(xiàn)時(shí)間早于前者。

圖10 提取單元的位移-時(shí)間曲線Fig.10 Resultant displacement-time plots for selected element

2.3 侵入速度

圖11 提取單元的速度-時(shí)間曲線Fig.11 Resultant velocity-time plots for selected element

為考察鋼球位移侵入速度，本研究中提取了相同區(qū)域單元上的速度-時(shí)間曲線。通常而言，侵入速度曲線變化越是平緩，且侵入速度越小，則對(duì)車(chē)內(nèi)成員的傷害越小[14-18]。通過(guò)2種車(chē)門(mén)的對(duì)比，二者的鋼球侵入速度均在碰撞初期急劇上升，迅速達(dá)到3.2 mm/ms的初始速度，在與車(chē)門(mén)撞擊后，鋼球速度下降，即表現(xiàn)為圖11中2條曲線的谷值，且DS下降更快。這說(shuō)明，在鋼球撞擊車(chē)門(mén)的過(guò)程中，DS的SAPH440鋼材料迅速地發(fā)生了塑性變形，使得鋼球在較短的時(shí)間內(nèi)減速，而DC的MWKC材料則表現(xiàn)出了更強(qiáng)的彈性形變特征。

2.4 車(chē)門(mén)內(nèi)能

在車(chē)門(mén)碰撞中，內(nèi)能的變化是反映車(chē)門(mén)能量吸收性能的主要指標(biāo)[19-20]。由圖12所顯示的能量-時(shí)間變化曲線可知，兩種車(chē)門(mén)在低速碰撞過(guò)程中，車(chē)門(mén)內(nèi)能與系統(tǒng)動(dòng)能此消彼長(zhǎng)，總能量保持不變，與能量守恒定律相吻合。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，DC的車(chē)門(mén)內(nèi)能峰值達(dá)到20.5 kJ，而DS的車(chē)門(mén)內(nèi)能峰值為18 kJ，即：MWKC材料車(chē)門(mén)DC的能量吸收性能優(yōu)于SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)DS。

圖12 能量-時(shí)間變化曲線Fig.12 Energy-time plots

3 結(jié) 論

本文將多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料的材料屬性定義于乘用車(chē)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)上，并對(duì)具有曲面特征的車(chē)門(mén)進(jìn)行建模，以SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)性能作為對(duì)比項(xiàng)，進(jìn)行低速碰撞有限元模擬，并從曲面車(chē)門(mén)的應(yīng)力分布、車(chē)門(mén)侵入量、侵入速度和車(chē)門(mén)內(nèi)能等方面進(jìn)行全面的對(duì)比分析，得到結(jié)論如下。

1)與SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)DS相比，多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車(chē)門(mén)DC在受到低速?zèng)_擊時(shí)，應(yīng)力在車(chē)門(mén)表面的分布范圍較小，且車(chē)門(mén)整體塑性變形更小。DC碰撞后恢復(fù)能力強(qiáng)，且不易產(chǎn)生應(yīng)力集中。

2)在能量吸收性能方面，由于具有曲面結(jié)構(gòu)的MWKC材料在受到低速碰撞時(shí)，曲面出現(xiàn)下凹、形變，在此過(guò)程中，由MWKC材料的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)特征所致，車(chē)門(mén)通過(guò)基體開(kāi)裂和纖維斷裂等損傷有效地吸收了部分能量，使得DC車(chē)門(mén)在能量吸收性能上，更優(yōu)于DS。

3)在保護(hù)車(chē)內(nèi)成員安全方面，雖然在y方向上的車(chē)門(mén)侵入量高于SAPH440鋼材料車(chē)門(mén)DS，但是在x和z方向的變形量明顯低于DS，多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車(chē)門(mén)DC未出現(xiàn)大面積潰縮，在保證了能量吸收性能的同時(shí)，整體結(jié)構(gòu)更加完好，即：MWKC材料車(chē)門(mén)DC是通過(guò)材料內(nèi)部的損傷，如基體開(kāi)裂、紗線斷裂、層間剪切等形式，來(lái)實(shí)現(xiàn)能量吸收，而不是通過(guò)整體結(jié)構(gòu)的大變形，因此，多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料車(chē)門(mén)DC的使用，將在一定程度上提升車(chē)輛的安全等級(jí)，保護(hù)車(chē)內(nèi)乘客安全。

4)多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料汽車(chē)殼體是理想的車(chē)身減重材料，與同尺寸的傳統(tǒng)鋼材質(zhì)殼體相比，質(zhì)量可減輕60%。

綜合而言，多軸向經(jīng)編曲面復(fù)合材料在汽車(chē)殼體上的應(yīng)用，將對(duì)乘用車(chē)殼體材料的應(yīng)用提供新的思路，并且對(duì)新能源汽車(chē)的開(kāi)發(fā)具有積極的影響。

FZXB

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