文摘

本文的目的是探讨弯曲响应的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料(CFRP)皮用于电动汽车的身体受准静态弯曲。典型的荷载位移曲线、失效模式和能量吸收进行了研究。纤维方向的影响,叠层顺序、层厚度、加载速度防撞性特性进行了讨论。有限元分析(FEA)与实验测量结果进行了对比。观察到有良好的有限元分析和实验结果之间的协议。数值模拟和实验预测,蜂窝夹层板与±30°±45°纤维方向,不对称叠层顺序(45°、45°、45°/−−45°),厚板(0.2毫米∼0.4毫米)和较小的加载速度(5毫米/分钟∼30毫米/分钟)有更好的防撞性性能。有限元分析预测也有助于理解内部裂纹的萌生和扩展蜂窝夹层板。

1。介绍

炭纤维增强塑料(CFRP)已被证明是一个有效的能量吸收材料;它已广泛应用于各种工业应用(1- - - - - -8]。此外,蜂窝填充已被证明是有效的在改善填充结构的能量吸收特性(9- - - - - -16]。蜂窝夹层结构广泛应用于几个运输行业的工程应用。

有广泛的研究关于铝蜂窝板的冲击和弯曲行为有和没有外部皮肤。刘等人。2)探讨了碳纤维增强塑料方管的防撞性充满铝蜂窝进行准静态轴向破碎。相比之下,满管的峰值负载和被吸收的能量增加了超过10%,相比之下,那些光秃秃的碳纤维增强塑料管子,大约从12.41%到27.22%,从10.49%提高到21.83%,分别。三点弯曲(图则,能量吸收(EA)和特定的能量吸收(海)被发现太阳et al。17)很大程度上是受到蜂窝芯材的结构参数的影响,但皮肤厚度。他们也比较空循环碳纤维增强塑料的防撞性碳纤维增强塑料/铝/钢管充满了泡沫铝或铝蜂窝下轴向准静态破碎。增加的R碳纤维增强塑料管道、能量吸收和装载能力增加,与特定的能量吸收(海)增加48.60 J / 60.37 g / g。碳纤维增强塑料管道的海洋充满了蜂窝略低于空同行但远远优于所有金属的标本(18]。Hazizan et al。19)调查了低速冲击响应的两个玻璃纤维/环氧树脂铝蜂窝夹层结构。Crupi et al。20.)的弯曲和冲击荷载下的力学行为研究已经有小组加强了GFRP外一个比较与皮肤和面板(没有GFRP皮肤)。实验测试表明,吸收的能量的蜂窝三明治高度提高,通过GFRP加固他们的表皮。侯赛因et al。21]研究了轴向破碎的行为铝honeycomb-filled广场碳纤维增强塑料(CFRP)管。结果表明,能量吸收(EA)铝honeycomb-filled碳纤维增强塑料管子从20%上升到36%以上的能量吸收中空碳纤维增强塑料管道在不同的速度。刘和吴22]研究了碳纤维增强塑料方管的横向平面压和弯曲响应充满了铝蜂窝。横向三点弯曲测试的结果表明,峰值负载,EA和海洋的honeycomb-filled碳纤维增强塑料管道增加了17%,32%,和0.9%,分别比碳纤维增强塑料空心管。

虽然蜂窝夹层板被广泛研究,有有限的研究碳纤维增强塑料皮的蜂窝夹层板。此外,这是一个新的尝试,轻量级的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮应用于车身在我们开发的轻量级碳纤维增强塑料电动汽车,这将受到横向弯曲负荷。因此,他们的应用程序需要更好的理解这种轻质复合材料的弯曲响应,和大多数的研究不考虑碳纤维增强塑料的材料设计提高弯曲性能。

2。问题的定义

2.1。三明治板的CAD模型与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮

三明治板的CAD模型与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮图所示1。它是由两部分组成,称为上下碳纤维增强塑料皮,中间铝蜂窝芯材。碳纤维增强塑料皮是连着铝蜂窝芯材DG-4环氧胶粘剂。胶可以在室温下固化,承受温度从−60°C + 120°C。此外,焊接过程很简单,使用方便,快速固化。碳纤维增强塑料皮的长度和宽度是200毫米和30毫米,分别和碳纤维增强塑料皮的厚度是由层厚度。铝蜂窝芯材是由铝合金和细胞厚度0.07毫米和4毫米的长度。铝蜂窝的高度是8.4毫米。

2.2。三明治板的材料特性与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮

上、下碳纤维增强塑料皮充满碳纤维结构,及其材料T700 / FAW100。表1列出了碳纤维增强塑料的材料特性T700 / FAW100。9个材料常数在表1将用于有限元分析。

中间的铝蜂窝芯材具有各向同性材料属性,和它的3003铝合金材料。材料属性如表所示2。

2.3。停止计划的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮

为了分析叠层顺序的影响,纤维方向,和防撞性层厚度的三明治板,本研究的样本分为三组(A组/组B / C组)表中列出3。总共八个不同的休息计划(A / B / C / D / E / F / G)。纤维方向与15°、30°、45°,60°、75°主要考虑。A组的目的是比较和分析纤维的影响方向的防撞性三明治板。B组的目的是比较和分析叠层顺序的影响的防撞性三明治板。C组的目的是比较和分析层厚度的影响的防撞性三明治板。

2.4。测试方法

不同的弯曲力学性能的常规固体金属材料、准静态三点弯曲试验是基于GB / t1449 - 2005测试标准”碳纤维增强塑料弯曲性能的测试方法。”,如图2,夹层板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮放置的平行于中心位置的万能试验机的支持。加载辊向下移动以恒定速率V直到样品坏了。在加载此数据记录,不同情况下的实验结果进行比较和分析。

3所示。的分析方法

3.1。正交的材料属性

在笛卡儿坐标下1-2-3,的本构方程(正交异性材料如碳纤维增强塑料22)如下:

上述方程可以用一个简单的表单: 在哪里 , ,和应力、应变、刚度矩阵,分别。合规矩阵的逆如下: 在哪里 , ,和杨氏模量、剪切模量和泊松比。对称矩阵在(3)有9个独立的材料常数的正交各向异性材料。

在碳/环氧复合材料层压板,每个厚度有正交的材料属性。每个厚度的纤维方向可以是不同的实际应用。自行车架是一种全碳纤维结构,T700 / FAW100及其材料。表1列出了碳纤维增强塑料的材料特性T700 / FAW100。9个材料常数在表1将用于有限元分析。

3.2。有限元分析(FEA)

在这项研究中,有限元分析(FEA)执行使用有限元分析软件包括模型和网格负载,边界条件,求解和后处理。图3显示了三明治板的有限元模型与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮。它是由刚性支承座底部。刚性加载辊移动在一个恒定的速度建成代表对三点弯曲加载。固体的三明治板需要进步的故障模型元素使用修改后的Chang-Chang故障判据,能够预测拉伸和压缩纤维失败,以及拉伸和压缩矩阵的失败。固体元素铝蜂窝是模仿与各向同性材料属性。有三种类型的接触定义加载辊之间,碳纤维增强塑料皮、铝蜂窝芯材和支持,即自动单一表面,与表面表面,表面和自动节点(如图3)。加载速度和边界条件规定始终与实验设置。

3.3。防撞性标准

量化防撞性,经常使用不同的标准,即初始峰值力(),意味着破碎力 ,压碎力效率()、吸收能量(EA)和特定的能量吸收(海)3]。

初始峰值力()可以直接从梁进行加载过程分为初始弹性弯曲阶段和弯曲崩溃阶段。

的价值平均破碎力()是在数学上定义为 在哪里距离和崩溃吗是瞬时的摧毁力。

压碎力效率(),定义为平均压溃力的比率初始峰值力(),是用来测量破碎力的均匀性

的价值就越高 ,防撞性性能就越好。

能量吸收()是通过整合梁进行加载过程

能量吸收越高(),防撞性越好。考虑到质量(重量)的影响,特定的能量吸收(),定义为 经常被用作最关键的防撞性标准之一。

4所示。实验程序

4.1。样品制备

对电动汽车来说,最有效的方式增加扩展里程是减肥。车身的传统材料高强度钢或铝合金,沉重和不符合日益广泛的电动汽车的行驶里程要求。三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料(CFRP)皮可以合理设计电动汽车的身体轻量级和更好的能量吸收性能的优点。如图4填充结构应用于典型的结构元素,比如车身壁板在我们开发的轻量级碳纤维增强塑料电动汽车,这将受到横向弯曲负荷。这项工作旨在调查三明治板的横向弯曲能力与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮。图5显示了三明治板的标本与八个不同的休息计划。为了分析叠层顺序的影响,纤维方向,和防撞性层厚度的三明治板,共八个不同的休息计划(a / B / C / D / E / F / G / H)。为了保证实验结果的准确性,每个案例在相同的测试条件下重复三次。此外,为了分析加载速度的影响的防撞性三明治板,进行加载实验在不同加载率E4, E5,和E6,分别和E4,标本的情况下E5, E6如图6。

4.2。准静态三点弯曲试验

准静态三点弯曲测试进行研究这些不同的三明治板的弯曲行为。执行所有的测试在室温下在电子万能试验机dns - 100与100 kN的承载能力。如图7,加载辊的速度是5毫米/分钟到30毫米/分钟。三组的标本进行测试时,加载的速度加载辊设置为5毫米/分钟。

为了分析的影响加载速度的防撞性三明治板,准静态加载测试标本的E4, E5,和案例进行E6,加载率5毫米/分钟,15毫米/分钟,分别和30毫米/分钟。最后一个弯曲位移是设置为25毫米,以确保为每个标本完全破坏。弯曲荷载及其相应的位移数据采集系统记录,在荷载位移曲线可以绘制系统。标本的变形行为是在准静态弯曲过程中拍摄的。准静态弯曲破坏后的标本在图所示8。

5。结果与讨论

5.1。荷载位移曲线

三明治板的荷载位移曲线与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮在三点弯曲试验如图9。曲线可以分为两个阶段,即初始弹性弯曲阶段和弯曲崩溃阶段(23]。病例的标本D (D1、D2和D3)作为一个例子,在最初的弹性弯曲阶段,弯曲负荷不断增加,直到达到第一个高峰(平均值是435 KN)。第一个峰值后,广泛的微裂缝是观察到的角落上面板接触加载辊;骨折迅速蔓延的方向垂直于碳纤维增强塑料皮肤,造成几滴内的弯曲负荷曲线弯曲崩溃阶段,如图9;和数值预测峰值负载匹配给定的实验测量与小误差除了案例D1的标本。看到,弹性变形阶段的持续时间很短,崩溃阶段是主要的能量吸收阶段在弯曲。

5.2。失效模式

失败的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮进行三点弯曲如图10。它显示了一个复杂的失效模式,包括塑料铰链、屈曲、缩进,核心失败,剪切交互。很明显,微裂缝发起的墙顶部接触加载辊由于应力集中。裂缝蔓延填充墙顶部的碳纤维增强塑料面板铝蜂窝。在弯曲过程中,铝蜂窝的六角形细胞层上表面相互挤压拉伸(压缩表面)和细胞层底部表面(表面张力),导致风扇的形状。但弯曲变形并不足以诱导的细胞从相邻的粘合剂层铝蜂窝脱胶。因此,脱胶损伤的铝蜂窝单元层之间不存在在这三点弯曲测试23]。

5.3。影响防撞性的纤维方向

的有限元分析和试验结果对五种情况下(案例,案例B, C, D, E和案例)与不同纤维方向表中列出4。它表明情况与±45°纤维方向最低(平均值为294.2 N)。相反,情况与±60°C纤维方向最高(平均值为511.5 N)。的平均值案例B的±30°纤维方向385.5 N。此外,的价值在这些情况下的案例B是最高的。CFE的五种不同情况下的比较如表所示4,案件的cf和案例B是最高的在这些情况下,表明他们有最顺利loading-displacement过程。这些病例的CFE的范围从0.21至0.49所列在表中4。大海和EA在这些病例中也列在表中4。它可以观察到,大海和EA的案例B都高得多的比其他情况下,表明更好的防撞性性能。除了案例B,大海和EA的情况下都是接近其他案件。

从上面的研究,与铝蜂窝芯材夹层板的防撞性和碳纤维增强塑料皮可以影响纤维方向。这些有限元分析和实验结果显示这种情况下±45°纤维方向最低 ,但不是最高的EA和海洋。此外,案例B±30°纤维方向EA和海洋最高,但不是最低的 。最低的 ,最高最高的EA,海表明更好的防撞性性能。总结各自的优势纤维方向±30°±45°,应该考虑这两种纤维方向的厚度设计。实验结果的偏差值对不同纤维方向如表所示5。发现偏差值小于10%。因此,实验结果对不同纤维方向的结果是可靠的。指出,因为CFE的值非常小,它会导致一个巨大的偏差计算。

5.4。防撞性叠层顺序的影响

案例和案例F被认为对防撞性性能分析叠层顺序的影响。的比较F_马克斯和F_avg两种情况如图11。它表明,F_马克斯的情况下低于情况下fF_avg的情况是接近的情况如图12CFE的情况下高于F,表明情况下的平滑loading-displacement过程。大海和EA的这两种情况在图所示13。它可以观察到,海洋和EA的情况下高于F,表明更好的防撞性性能。

它可以得出结论,与铝蜂窝芯材夹层板的防撞性和碳纤维增强塑料皮可以叠层顺序的影响。通过比较两个案例和案例F防撞性标准,研究结果表明,与不对称叠层顺序情况下设计具有更好的防撞性性能。

5.5。防撞性层厚度的影响

如表所示6,有三种情况下(案例,案例G和H)与不同层厚度。情况下,层厚度为0.8毫米;为G,层厚度0.6毫米;例H,层厚度为0.4毫米。层厚度的增加,两种F_avg和《增加。有趣的是,F_马克斯大约是相同的。层厚度的增加,EA和海都增加。EA和海洋的案例都是这三种情况下最高。因此,一般来说,层厚度增加,三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮会有更高的能量吸收能力。实验结果的偏差值为不同的层厚度如表所示7。发现偏差值小于10%。因此,不同纤维方向的实验结果是可靠的。

5.6。防撞性加载速度的影响

调查的影响加载速度的防撞性三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮,标本的荷载位移曲线(E4,案件E5, E6)与不同速度绘制在图14。随着加载速度的增加,F_马克斯标本的情况下增加。当加载速度是30毫米/分钟,F_马克斯标本的E6是最高的。

CFE的比较三个标本(E4,案件E5, E6)与不同加载速度画在图15,F_马克斯和F_avg也画在图吗15。标本的CFE的案例E5用最小的加载速度是最高的。

EA和海洋的三个标本(E4,案件E5, E6)画在图16。它可以观察到,EA和海洋标本的情况下E5最小加载速度远高于其他标本。

可以得出结论的防撞性三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮可以影响加载速度。防撞性标准进行比较,结果表明,试样的情况下E5最小加载速度的防撞性性能最好。

6。结论

本研究提出了一个数值和实验研究弯曲响应的三明治板与铝蜂窝芯材和准静态弯曲荷载下碳纤维增强塑料皮。典型的荷载位移曲线、失效模式和能量吸收了。限制内的研究,可以得出以下结论:(1)三明治板的荷载位移曲线与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮在三点弯曲试验可分为初始弹性弯曲阶段和弯曲崩溃阶段。三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮吸收了大部分能量在弯曲崩溃阶段。(2)有限元分析预测和实验被用于理解内部裂纹的萌生和扩展的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮。微裂缝发起在拐角处的墙壁接触加载辊。裂缝蔓延从墙顶部填充碳纤维增强塑料皮的铝蜂窝。在弯曲过程中,铝蜂窝的六角形细胞层相互挤压,导致风扇的形状。但弯曲变形并不足以诱导的细胞从相邻的粘合剂层铝蜂窝脱胶。(3)三明治板与铝蜂窝芯材的防撞性和碳纤维增强塑料皮可以影响纤维方向。案例与±45°纤维方向最低F_马克斯,但不是最高的EA和海洋。此外,案例B±30°纤维方向EA和海洋最高,但不是最低的F_马克斯。因此,应该考虑这两种纤维方向的厚度设计。(4)三明治板与铝蜂窝芯材的防撞性和碳纤维增强塑料皮可以叠层顺序的影响。通过比较两个案例和案例F防撞性标准,研究结果表明,案例与对称的厚度设计有更好的防撞性性能。(5)一般来说,层厚度的增加,三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮会有更高的能量吸收能力。三明治板的防撞性能影响加载速度。实验结果表明,该标本的情况下E5最小加载速度(5毫米/分钟)最佳的防撞性性能。

总之,本研究表明潜在的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮是一个能量吸收器中使用电动汽车的身体;和实验结果也可以用于验证数值模拟优化设计的三明治板与铝蜂窝芯材和碳纤维增强塑料皮在未来。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现已经包含在这篇文章。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作得到了国家自然科学基金-航天科技集团联合基金(没有航天先进制造技术的研究。U1537103),中央大学的基础研究基金(自慰:2017 iii047),中央大学和基础研究基金(自慰:2018 iva023)。