基于ABAQUS的碳纖維復合材料軌道車輛車門設計

蔡繼文，貢智兵，陶楊洋

(1.南京航空航天大學 a.機電學院；b.材料學院；江蘇 南京 210016; 2.南京康尼機電股份有限公司,江蘇 南京 210038)

0 引言

碳纖維具有密度小、比模量高、比強度高以及良好的抗震性能等優(yōu)點，且具有良好的可設計性而被應用于車輛的傳動部件中，并且能夠滿足軌道客車輕量化的要求而被逐漸應用于軌道客車中[1-2]。不同的鋪層角度以及堆疊順序對碳纖維板的力學性能影響很大[3]，而碳纖維復合材料良好的設計性就體現(xiàn)在不同的鋪層角度以及堆疊順序上。何坤等[4]對無人機機身進行了3個階段(鋪層厚度、鋪層層數(shù)、鋪層順序)的復合材料非均勻鋪層優(yōu)化設計，發(fā)現(xiàn)在滿足力學性能以及工藝要求的前提下，采用非均勻鋪層優(yōu)化設計方法比均勻鋪層優(yōu)化設計方法所設計的輕了50%。徐作文等[5]對汽車前車門進行碳纖維結構以及鋪層設計，對門板進行不同鋪層形式研究，并且進行了一階彎曲和扭轉模態(tài)分析以及側面碰撞分析，發(fā)現(xiàn)不同鋪層形式的車前門在剛度以及強度上均比金屬門的性能好，在碰撞方面能夠滿足標準規(guī)定的性能要求，并使車門整體達到54.94%的減重。在螺母軸向方向取了3個測試截面進行了螺母表面層殘余應力測試分析，通過對不同截面以及螺母整體殘余應力的顯著性分析，得出較為優(yōu)異的噴丸強化工藝參數(shù)。肖志等[6]進行了汽車頂蓋連續(xù)碳纖維增強復合材料鋪層優(yōu)化，通過自由尺寸優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及層組優(yōu)化，并且在滿足工藝約束與制件剛度的情況下，使得汽車頂蓋的質(zhì)量減輕了59.3%。要實現(xiàn)軌道客車的輕量化需求，還需要對車門進行結構設計優(yōu)化，實現(xiàn)車門的輕量化。賈亞麗等[7]研究了碳纖維車門設計的關鍵技術，認為為了滿足車門的抗交變載荷以及沖擊載荷的要求，纖維鋪設方向至少要有0°、45°、-45°、90°方向的，且通過理論計算發(fā)現(xiàn)蜂窩夾芯的碳纖維板比鋁蒙皮具有更大的剛度以及更小的質(zhì)量。

高時速的軌道交通車輛，空氣阻力約占能耗的70%，實現(xiàn)車輛輕量化是降低能源消耗的重要手段。碳纖維復合材料密度是鋁合金的2/3，可大幅降低車身自重。另外，碳纖維復合材料構件的強度可超過高強鋼，力學性能優(yōu)異，同時耐腐蝕、耐高溫和阻燃，可大幅提高車身安全性能。要實現(xiàn)車門的輕量化，并且具備一定剛度和強度，需要對車門的結構進行優(yōu)化設計。本次研究基于ABAQUS的模型庫，通過調(diào)用庫中的沖擊模型來進行不同鋪層形式碳纖維層合板的應力分布以及損傷情況研究。實現(xiàn)碳纖維鋪層形式的優(yōu)化后，建立蜂窩夾芯碳纖維門板進行彎曲測試模型，并進行了蜂窩夾芯門板強度測試。

1 碳纖維層合板沖擊模擬

1.1 鋪層方案設計

為了避免碳纖維層合板的各向異性差異過大，通常采用對稱鋪層的方式。層合板的鋪層方式如圖1所示，其中外蒙皮采用[3K/芳綸平紋×3/(90/0)G/±45C/±45C/(90/0)G/芳綸平紋×3]的鋪層方式，內(nèi)蒙皮采用[(90/0)G/±45C/芳綸平紋×3/±45C/(0/90)G]的鋪層方式，在內(nèi)蒙皮和外蒙皮之間加入55 mm厚的PMI泡沫芯材。其中，鋪層角度為0°和90°的材料為T700，45°和-45°的材料為斜紋玻纖。

圖1 層合板鋪層方式示意圖

1.2 層合板沖擊模型

碳纖維層合板子彈沖擊模型如圖2所示，其中子彈位于層合板中心位置，距離中心表面<1 mm。在模擬過程中子彈設置為彈塑體，采用Johnson-Cook損傷準則對其沖擊過程中發(fā)生的損傷進行模擬。對于層合板沖擊后的損傷采用了修改后的三維Hashin準則和Puck準則，而層合板四周采用完全固定的方式，子彈彈頭以100 m/s的速度向層合板沖擊。

圖2 碳纖維層合板沖擊有限元模型

1.3 材料的本構模型

所設計的碳纖維層合板中，3K即為T300，芳綸平紋采用K49，鋪層角度為0°和90°的材料為T700，45°和-45°的材料為斜紋玻纖，其力學性能如表1所示；泡沫芯材采用52 kg/m3的PMI材質(zhì)，力學性能如表2所示；在沖擊模型中，子彈彈頭采用2024-T3鋁合金，其本構模型參數(shù)如表3所示[8]。

表1 材料力學性能參數(shù)

表2 PMI材料力學性能參數(shù)

表3 2024-T3鋁合金Johnson-Cook本構模型參數(shù)[9]

1.4 層合板沖擊結果分析

1)層合板應力狀態(tài)分析

圖3-圖4顯示了層合板各部分受到子彈沖擊后的應力狀態(tài)。從圖3-圖4中可以看出，層合板被全部穿透，并且在相同的沖擊載荷下，外蒙皮的應力比內(nèi)蒙皮的應力小，內(nèi)蒙皮的最大應力值達到了178.5 MPa，出現(xiàn)在上鋪層中的0°碳纖維鋪層；外蒙皮的最大應力值為152.2 MPa，出現(xiàn)在上鋪層中的90°碳纖維鋪層。在內(nèi)蒙皮的上、下鋪層中，對于0°和45°碳纖維層，上、下鋪層的應力分布大小接近；對于90°和-45°碳纖維層，下鋪層應力均大于上鋪層。在外蒙皮的上、下鋪層中，對于90°、0°和-45°碳纖維層，上鋪層應力均大于下鋪層；對于45°碳纖維層，上鋪層應力小于下鋪層；并且下鋪層中各鋪層角度的碳纖維層應力大小接近。

圖3 內(nèi)蒙皮應力云圖

圖4 外蒙皮應力云圖

2)層合板損傷狀態(tài)分析

圖5-圖7顯示層合板各部分和子彈沖擊后的損傷狀態(tài)。從圖5-圖7中可以看出，相對于各向異性有鋪設角度的單層板而言，各向同性的單層板發(fā)生損傷的面積更大。另外從最先受到?jīng)_擊的3K損傷圖7(a)發(fā)現(xiàn)，除受沖擊的地方，在完全固定的兩端也出現(xiàn)損傷，這表明在沖擊過程中可能會出現(xiàn)脫框的情況。另外，從圖7(f)可以發(fā)現(xiàn)，子彈在模擬過程中，相對于層合板而言，幾乎不出現(xiàn)損傷。

圖5 內(nèi)蒙皮損傷云圖

圖6 外蒙皮損傷云圖

圖7 其余部分損傷云圖

2 碳纖維門板彎曲模擬

2.1 碳纖維門板彎曲模型

建立碳纖維門板彎曲測試的有限元模型，如圖8所示。其中，門板的上、下以及四周表面采用第1節(jié)所述鋪層形式的碳纖維層合板，中間采用鋁蜂窩進行填充。采用三點彎曲測試方法對門板的強度進行測試。

圖8 碳纖維門板彎曲測試有限元模型

2.2 碳纖維門板彎曲測試結果分析

門板彎曲仿真結果如圖9所示。從圖9中可以看出，在層合板的兩側中間部位的應力最大，上側層合板的最大應力值達到35.25 MPa,下側層合板的最大應力值達到40.03 MPa。上側層合板中間部位的應力最小，下側層合板中間部位應力較大，約為27～30 MPa。從圖9(b)鋁蜂窩的應力分布來看，在蜂窩的中間以及4個角落存在較大的應力分布，且最大值達到了246.5 MPa。

圖9 門板彎曲仿真結果

3 結語

對碳纖維層合板的鋪層形式進行了設計，外蒙皮采用[3K/芳綸平紋×3/(90/0)G/±45C/±45C/(90/0)G/芳綸平紋×3]，內(nèi)蒙皮采用[(90/0)G/±45C/芳綸平紋×3/±45C/(0/90)G]，并且對設計的層合板進行了沖擊仿真，觀察層合板各部分的應力分布以及損傷狀態(tài)，采用所設計的層合板與鋁蜂窩進行了蜂窩夾芯門板彎曲仿真，得到如下結論：

1)在碳纖維層合板的沖擊仿真中，發(fā)現(xiàn)子彈穿透層合板應力的最大值出現(xiàn)在內(nèi)蒙皮的上鋪層中，鋪層角度為0°的碳纖維層應力達到了178.5 MPa，而外蒙皮的最大應力值為152.2 MPa；

2)在碳纖維層合板的沖擊仿真中，發(fā)現(xiàn)相對于各向異性有鋪設角度的單層板而言，各向同性的單層板發(fā)生損傷的面積更大，并且除了受沖擊的地方，在完全固定的兩端也出現(xiàn)損傷；

3)在碳纖維蜂窩夾芯門板彎曲仿真中，發(fā)現(xiàn)最大應力出現(xiàn)在蜂窩的邊角上，達到了246.5 MPa，上側層合板的最大應力值達到了35.25 MPa,下側層合板的最大應力值達到了40.03 MPa。上側層合板中間部位的應力最小，下側層合板的中間部位應力較大，約為27～30 MPa。