車身碳纖維接頭結構橫向彎曲性能研究?

王海豐，于 野，許現哲，侯文彬

(大連理工大學汽車工程學院，工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024)

前言

輕量化技術作為應對汽車“節能、環保、安全”幾大課題的有效措施,已得到業界的普遍認同[1]。碳纖維增強聚合物基復合材料(CFRP)被認為是實現汽車輕量化的重要候選方案。文獻[2]中研究了CFRP在車頂蓋上的應用及輕量化設計。文獻[3]中對CFRP汽車前地板進行了研制。文獻[4]和文獻[5]中對簡化形式的CFRP汽車B柱下端T型接頭的機械性能進行了研究。結果顯示,施加載荷的方向和幾何結構調整顯著影響T型接頭的剛度。文獻[6]中對CFRP方形截面T型接頭的橫向彎曲性能進行了研究。結果表明,制造過程和試驗設置的細節會顯著影響T型接頭的橫向彎曲性能和失效模式。文獻[7]中對T型框架結構在彎曲載荷作用下的表現進行了研究。結果顯示,內部膜片的引入可以顯著加強T型接頭的剛度。文獻[8]中應用數值方法對T型接頭結構中所包含的箱梁通道結構的力學性能進行了研究,并特別關注了結構設計。研究表明,設計中影響性能的關鍵因素是箱梁通道結構的厚度和截面長度的比值。

本文中探索了CFRP在汽車T型接頭結構上的應用。設計并制備了CFRP單帽型T型接頭,試驗研究了結構的橫向彎曲性能與失效模式,分析了二者間的關聯；建立了復合材料T型接頭有限元模型,并獲得了與試驗結果相吻合的仿真分析結果；基于調整結構尺寸和鋪層數目的靈敏度分析為結構設計提供了重要指導。

1 T型接頭設計和制備

參考汽車B柱下端金屬T型接頭的主體尺寸信息和內、外板組件相結合的結構形式,設計單帽型復合材料T型接頭(見圖1)。所設計結構中各分支截面相同,去除了內部加強板及表面細節特征,選定尺寸參數時特別考慮了纖維布在結構中心圓角處的鋪層問題,鋪層數目8層(總厚約2mm),各粘接邊緣寬度為20mm。

圖1 復合材料T型接頭結構設計方案

考慮到T型接頭顯著的空間結構特征和復雜的承載工況,選擇T300型平紋機織碳纖維布作為增強材料,基體材料選擇E51型環氧樹脂,各組件采用真空輔助成型技術完成常溫固化成型,使用環氧樹脂膠對修整及清理后的成型組件進行粘合。

2 T型接頭的橫向彎曲試驗

2.1 試驗設置

試驗布置方案如圖2所示。設計了一套可調節式固定裝置,以確保試驗樣件的精準裝夾。為獲取T型接頭外表面特定點的應力應變狀態,在其表面布置應變花,如圖3所示。試驗中電子萬能試驗機以1mm/s恒速加載,實時輸出加載點的承載力-位移曲線,如圖4所示。為方便敘述,標記T型接頭兩側分支為A分支和B分支,中央分支為M分支。

圖2 試驗布置方案

圖3 應變花粘貼形式

圖4 T型接頭橫向彎曲承載力-位移試驗曲線

2.2 試驗結果

2.2.1 橫向彎曲性能與失效模式

由圖4可知,初始加載過程中T型接頭的承載力隨加載位移呈線性增長,橫向彎曲剛度 Ke為125.63N/mm；不久后結構多處發出細碎不斷的異響,但觀察不到明顯破壞,同時T型接頭橫向彎曲剛度開始逐漸降低。

承載力在加載位移68.67mm時發生了短暫的波動,同時觀察到T型接頭上表面圓角區域發生細小的裂紋(圖5(a))；在84.03mm時承載力達到峰值3 668.48N,隨后開始緩慢下降。加載位移97.61與102.87mm時,T型接頭下表面先后產生f1和f2兩處失效區域(圖5(b)),對應時刻承載力-位移曲線發生明顯的階梯型突降；隨后兩處失效區域迅速向彼此方向擴展,并在位移108.11mm時匯合成大面積帶狀破壞區域(圖5(c)),同一瞬間結構發出巨響,承載力突降至2 241N。之后承載力緩慢下降,此時結構被認為失去有效橫向彎曲性能,不久停止試驗加載。

圖5 T型接頭下表面失效情況

結合試驗現象與CFRP層合板的典型力學特征,認為加載過程中T型接頭橫向彎曲剛度衰減的一個重要原因是層合板發生了大面積漸進失效。

2.2.2 測量點的最大主應力

為順利進行后續主應力計算和有限元建模,分別按照ASTM D3039,D6641和D3518標準,從制備T型接頭平板組件的層合板的多余區域截取并制備拉伸、壓縮、剪切試件(圖6),進行材料力學性能測試。其中,材料拉伸、剪切測試采用數字圖像相關(digital image correlation,DIC)測量技術完成,采用電阻式應變儀進行壓縮測試(圖7)。

同時,試件拉伸、壓縮失效模式如圖8所示,獲得材料參數如表1所示。

圖6 材料力學性能測試試件

圖7 材料力學性能測試過程

圖8 試件拉伸、壓縮失效模式

表1 復合材料力學性能參數

部分測量點位置的應變分量-位移曲線如圖9所示。正如預期,應變花R2和R3關于T型接頭上表面中線對稱布置,同編號的應變分量-位移曲線之間表現出明顯的相似趨勢。選擇合適的材料本構關系對本研究中的正交各向異性復合材料進行最大主應力計算,并通過曲線擬合,獲得R1和R2位置最大主應力-位移曲線,如圖10所示。

圖9 各測量點的應變分量-位移曲線

圖10 應變花R1和R2的最大主應力-位移曲線

試驗中應變分量曲線R3-2相對于曲線R2-2表現出衰減性偏離,并在位移68.67mm時出現明顯波動,此刻R2的各應變分量曲線無明顯變化。結合T型接頭下表面f1失效區域先于f2失效區域產生這一表現,推測偏離現象是偏向B分支側的T型接頭結構率先發生局部失效引起的。

3 有限元模擬與靈敏度分析

3.1 有限元模擬

在ABAQUS軟件中建立有限元模型,如圖11所示。模擬試驗細節設置邊界條件,材料屬性由2.2.2節測得(表1),單元類型為S4R；考慮到試驗中T型接頭內、外板組件粘接處不會發生膠接失效,選擇Tie單元建立綁定連接；由于Hashin準則可以有效判斷復合材料的纖維或基體拉伸、壓縮、剪切失效模式[9-10],是一種“基于機理”的失效準則,近年來在漸進損傷模型中應用廣泛,因而選用這一失效準則來模擬本研究中碳纖維T型接頭的漸進損傷過程。

圖11 有限元模型

在不同加載時刻的T型接頭失效情況的有限元分析結果(圖12)與試驗結果(圖5)在失效位置和失效模式方面表現出很好的一致性。

有限元分析與試驗獲取的T型接頭橫向彎曲承載力-位移曲線如圖13所示。由圖可見：仿真試驗結果十分吻合；有限元分析獲取橫向彎曲剛度Kf與試驗結果Ke誤差小于1%,而承載峰值誤差小于3%；同時失效位移和殘余承載力也都十分接近。有限元分析和試驗獲取的T型接頭在應變花R1和R2位置的主應力狀態曲線對比如圖14所示,可見對應曲線之間吻合良好。

圖13 承載力-位移曲線對比

圖14 R1和R2位置主應力-位移曲線對比

3.2 靈敏度分析

基于上述有限元模型,分析了在改變T型接頭各尺寸變量(圖1)和內、外板組件鋪層數目N1,N2時,T型接頭橫向彎曲極限承載力F與質量M、橫向彎曲剛度K與質量M之間的相對靈敏度,分析結果如圖15所示。

圖15 相對靈敏度分析結果

由圖15可知,改變尺寸變量R或H時,可同時獲得T型接頭F-M和K-M的相對靈敏度最大值,即在復合材料T型接頭設計時,合理增大兩變量的取值可以有效提高結構性能,而對結構性能影響效果較小的r,N1和N2等設計變量,可作為結構輕量化研究對象。

4 結論

參考汽車B柱下端T型接頭結構,設計并制備了單帽型CFRP材料T型接頭。對結構的橫向彎曲性能進行了試驗研究與有限元模擬。試驗結果顯示,T型接頭橫向彎曲剛度隨復合材料層合板的漸進失效而逐漸降低,下表面局部失效區域的產生與擴展會導致結構急劇失去橫向彎曲承載能力。各項有限元分析結果與試驗結果表現出了很好的一致性。靈敏度分析結果顯示,合理增大尺寸變量R或H可顯著提升結構橫向彎曲性能。

研究中,試驗結果受試件質量和試驗設置合理性的重要影響；細致觀察試驗設置細節與T型接頭失效過程對分析試驗結果和建立精準的有限元模型有重要意義；而一個可以對試驗進行準確模擬的有限元模型,可被用來代替昂貴的實體結構件,作為研究和預測車身接頭性能的有效工具。

目前,復合材料汽車構件與其它車身結構件之間有多種連接方式可供選擇,考慮到粘接劑粘接方式具有減輕質量、外觀平整、工藝簡單、最適合薄壁部件之間連接等多種優良特性,并結合本研究中車身碳纖維接頭顯著的薄壁特征,推薦選擇粘接劑粘接的連接方式。同時,在趨于流行的全碳纖維車身應用中,將車身碳纖維接頭與車身碳纖維框架結構進行一體化制備也將是不錯的選擇。