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[复合材料] 基于虚拟试验的复合材料设计许用值的 确定及结构强度验证

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发表于 2020-4-14 09:45:21 | 显示全部楼层 |阅读模式

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基于虚拟试验的复合材料设计许用值的 确定及结构强度验证

谷军杰1,张兰1,刘阳2
(1.中车长春轨道客车股份有限公司 国家轨道客车系统集成工程技术研究中心,吉林 长春130062;2.北京信工诚科技有限公司,北京 100085)*
【中国汽车材料网】摘 要:总结复合材料结构积木式验证体系及设计许用值确定方法,给出了基于Digimat-VA虚拟试验模块进行设计许用值计算的流程,该虚拟试验通过模拟纤维、基体材料参数的分散度以及工艺误差带来的分散性,并利用均匀化理论及有限元方法得出CFRP(碳纤维增强塑料)强度的B基准值及刚度平均值,最后利用该方法对某型市域车复合材料司机室结构进行强度验证.


关键词:复合材料;虚拟试验;设计许用值;有限元;强度分析

[size=1em]相较于金属材料,复合材料具有更高的比刚度、比强度及可设计性,因而成为了制造业实现减重目标的首选材料.随着碳纤维复合材料行业的迅猛发展以及客户对产品节能环保要求的提高,纤维增强复合材料(FRP,如CFRP、玻璃钢等)已被广泛用于轨道交通行业.而且已从最初仅在司机室头罩、车顶导流罩、裙板等小部件结构上应用,发展到整车及转向架的应用,如中车长客新一代地铁列车、“光谷量子号”复合材料轻轨车以及中车四方的新一代地铁车辆“CETROVO”.

[size=1em]尽管复合材料已被用于车体及转向架的研制,复合材料在轨道交通领域的应用还面临很多瓶颈,研发成本便是其中之一.研发成本之所以高,最终还要归结于复合材料的非均匀性、各向异性以及材料参数的变异性[1-3].基于复合材料以上特点,在积木式复合材料验证方法[1]中,需要进行大量的材料级及部件级样件试验来消除材料及工艺的变异性.例如在中车长客新一代地铁项目中,为确定单层板的材料许用值,进行了6个批次4种环境下共计1296个样件试验,为确定典型铺层的设计许用值,进行了不同工艺、不同铺层比例共计4824个样件试验.这样耗费资源的试验不利于复合材料在轨道交通领域的应用,因此我们急需寻求一种方法,通过消耗更少的资源来得到复合材料材料许用值及设计许用值.

[size=1em]本文探索了一种新的确定复合材料设计许用值的方法.利用Digimat的虚拟试验(VA)模块,依据ASTM标准确定典型铺层CFRP的强度设计许用值.该虚拟试验可考虑纤维、基体材料参数以及工艺误差的分散性,并利用均匀化理论及有限元方法计算CFRP的宏观模量和强度,然后在统计意义上计算设计许用值.本文利用该方法对某型市域车复合材料司机室进行了结构强度分析.


1 复合材料材料许用值与设计许用值的确定方法

[size=1em]目前,航空航天领域采用的许用值的定义为[4-5]:在概率的基础上(如具有99%概率和95%置信度的A基准值或者具有90%概率和95%置信度的B基准值),由层合板或单层板的试验数据确定的材料特性值.许用值包括材料许用值和设计许用值两种,其中材料许用值为概率基础上的单层板材料特性值,一般来说,材料许用值包括单层板0°和90°方向(与单向带纤维方向或织物主方向的夹角)的拉伸及压缩模量、拉伸及压缩强度、面内主泊松比、面内剪切模量及强度共计11个参数.设计许用值为概率基础上结构典型铺层的宏观材料特性值,包括面内x、y两个正交方向的拉伸、压缩模量和强度、面内主泊松比、面内剪切模量及强度.与材料许用值不同的是,设计许用值还包括开孔或充填孔典型层压板的拉伸压缩强度、典型层压板冲击损伤后的压缩强度以及机械连接的挤压强度等.在这些材料特性值中,强度值取B基准值,模量、泊松比取平均值.

[size=1em]在确定完材料及工艺控制规范后,确定材料设计许用值的流程如图1所示.

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图1 许用值确定流程

[size=1em]流程中,试验矩阵应覆盖不同环境、不同批次、不同板件以及不同角度的强度试验,典型的试验矩阵如表 1所示[4].表中“5 515435f9161bd7f22e0918d5840c961f.jpg 23”中的“5”代表批次数,一般取5个批次,但最少不少于3个批次;“2”为每批的试板数,“3”表示每个试板裁取3个试件;试验条件中CTD、RTD、ETW分别代表55℃干态、室温干态以及高温湿态,具体的试验环境应根据设计需求及产品的实际工作环境而定.

表1 典型层合板力学性能试验矩阵
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[size=1em]目前国内外试验机构及厂家多采用美国ASTM D30下属的试验标准,相对其他标准,ASTM可以得到变异性相对更小的力学性能值[6].对于复合材料层合板来说,常用的几个ASTM标准有D3039、D6641、D3518等.

[size=1em]根据试验矩阵,每个试验项点都要进行不同批次、不同试板及不同裁切试样的试验(共18~30个),以此来考虑工艺、批次、材料变异性对性能的影响.在得到上述试验数据后,需通过数据处理来得到设计许用值,如前所述,强度值取B基准值,模量、泊松比取平均值.B基准值的计算方法为[4]:

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[size=1em](1)

[size=1em]式中:j表示不同环境;x代表测试的物理量(经正则化处理),如单轴拉伸强度; 00408690405bc340ef01e7f953dbf5bd.jpg 代表x的平均值,N为样本总数,s为标准差,kB为B基准容限系数,其值为:

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[size=1em](2)

[size=1em]式中:zB = 1.281 15,为标准正态随机变量;nj为所选环境下的样本数;f = N - 2,为变异性的自由度;

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[size=1em](3)

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[size=1em](4)

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[size=1em](5)

2 虚拟试验2.1 虚拟试验流程

[size=1em]虚拟试验是基于少量的试验数据并通过有限元方法来模拟出层合板的设计许用值.基于Digimat软件的VA模块,首先生成所需要的试验矩阵;然后根据现有的试验数据以及纤维的体积分数,反向推导出纤维、基体的材料参数;在此基础上考虑纤维、基体材料参数及工艺带来的分散度,通过概率统计方法生成试验矩阵下每个样件纤维与基体的材料参数以及几何结构;然后利用有限元方法分别对试验矩阵下的每个试样进行模拟分析,计算出强度、模量的信息;最后根据每个试样的计算结果,计算出强度的B基准值及模量的平均值.具体流程如图 2所示.

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[size=0.8em]图2 基于Digimat的虚拟试验流程图

2.2 算例

[size=1em]现针对某型市域车复合材料司机室进行设计许用值的确定与结构分析.已知该复合材料司机室的蒙皮及骨架均由RC410织物及UC300单向带两种预浸料铺叠固化而成,铺层方案见表2所示.

[size=0.8em]表2 司机室蒙皮及骨架铺层方案
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[size=1em]针对这两种材料,在常温常湿(23℃,42%)环境下分别做了1个批次6个试样的拉伸、压缩及剪切试验,其试验结果见表3.

[size=0.8em]表3 RC410预浸料试验数据表
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[size=1em]根据图2所示的流程确定复合材料结构的设计许用值,首先要逆向计算出RC410、UC300两种材料纤维和基体的材料参数以便为生成有限元计算模型提供参数.RC410、UC300的体积分数分别为55%和60%,根据表3所列试验结果逆向推导出两种材料纤维和基体的材料性能见表4.

[size=0.8em]表 4 RC410及UC300各组分材料参数
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[size=1em]根据表 3中试验数据的分散度以及供应商的工艺水平,得到两种材料参数的变异性,如表5所示.

[size=0.8em]表5 RC410及UC300材料参数及工艺变异性
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[size=1em]针对表2所列的铺层进行试验矩阵设置时,考虑到产品的使用环境以及试验参数的局限性,试验矩阵仅包含常温常湿(23℃,42%)环境下的拉伸压缩、开孔拉伸及开孔压缩、剪切试验,见表6.

[size=0.8em]表6 试验矩阵
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[size=1em]试件的几何尺寸由表6所列标准而定.根据试验矩阵、纤维、 基体的材料参数及变异性,生成有限元分析模型,其中无孔拉压、开孔拉压的有限元网格如图3所示.

[size=0.8em](a) 无孔拉压、面内剪切有限元网格

[size=0.8em](b) 开孔拉压有限元网格
[size=0.8em]图3 虚拟试验试件有限元网格

[size=1em]将324个有限元模型提交计算即得到每个试件的强度和模量信息,鉴于篇幅有限,仅列出蒙皮无孔拉伸试验结果,如图4所示.通过虚拟试验,最终得到的蒙皮及骨架的设计许用值见表7.

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[size=0.8em]图4 蒙皮无孔拉伸试验结果
[size=0.8em]表7 许用值计算结果

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[size=1em]为校核复合材料司机室在一位端窗腰带压缩工况下是否满足强度要求,将表7中的许用值输入到司机室有限元模型中,并在窗腰带高度施加300 kN的纵向压缩力.为了简化和保守起见,可首先提取结构的第一和第三主应力,并与虚拟试验得出的蒙皮和骨架的拉压强度进行比较,以初步校核结构的强度.强度的评判依据为:如果计算得到的第一第三主应力小于表7中相应材料0°和90°拉压强度最小值,则结构满足强度要求,如果计算得到的第一第三主应力大于表7中相应材料0°和90°拉压强度最大值,则结构强度一定不满足要求;如果第一第三主应力介于0°和90°两个方向的强度中间,则需要提取出两个正交方向应力分量来继续评估.

[size=1em]经计算,司机室骨架的第一和第三主应力云图见图5.其中最大第一主应力188.5 MPa,小于骨架0°和90°拉伸强度,满足强度要求;最大第三主应力215.3 MPa,大于骨架的压缩强度,不满足要求.最大压缩应力的方向为与铺层主方向夹角45°,见图6.蒙皮第一主应力、第三主应力云图见图7,其中蒙皮最大第一主应力134.5MPa,小于蒙皮的许用拉应力301.42MPa,满足要求,最大第三主应力154.7MPa,大于许用应力128.01 MPa,不满足要求.

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[size=0.8em](a)第一主应力

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[size=0.8em](b)第三主应力
[size=0.8em]图5 司机室骨架应力云图

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[size=0.8em]图6 骨架单元第三主应力方向(约45°方向)

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[size=0.8em](a)第一主应力

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[size=0.8em](b)第三主应力
[size=0.8em]图7 蒙皮主应力云图

3 结论

[size=1em]本文总结了基于复合材料的积木式设计方法以及美国ASTM复合材料试验标准体系的复合材料设计许用值确定方法,并给出了基于Digimat-VA模块确定设计许用值的虚拟试验流程,并基于该流程,计算了某项目复合材料司机室材料的设计许用值,最后利用计算出来的设计许用值,对该司机室设计方案进行了校核,结果发现该司机室的骨架和蒙皮的压缩强度不满足强度要求,在后续研究中会进一步对该复合材料司机室进行铺层优化和补强,并通过和试验结果进行对比来验证虚拟试验的准确性.

[size=1em]本文所述的通过虚拟试验来确定复合材料设计许用值的方法可为复合材料产品设计及制造提供参考,并大量节约试验成本和研发周期,有望用于复合材料车体的研发,并促进复合材料在各行业的应用.




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发表于 2020-4-14 12:11:28 来自手机 | 显示全部楼层
在基本的物理试验体制和复材的失效准则都没有完善的前提下,就开始大搞虚拟试验,就是在沙滩上起高楼。
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