基于CrachFEM的汽车塑料水箱支架正面碰撞失效仿真分析

发布时间：2020-06-19 04:40

【摘要】：随着材料技术和汽车轻量化的发展,短纤维增强复合材料逐渐应用于汽车行业并且使用量在逐年增加。对短纤维增强复合材料力学性能研究主要以试验为主,仿真方面多以建立微观单细胞单纤维或多纤维结构模型研究纤维和基体之间应力传递和对纤维的影响,而对于短纤维增强复合材料宏观力学性能的仿真研究比较少。采用LS-DYNA中已有的材料本构模型,其本构模型不能完全考虑材料的力学性能,如短纤维增强复合材料具有各向异性、粘弹性、动态应变率效应,LS-DYNA的22#材料只能考虑各向异性和动态应变率。为了综合仿真模拟材料的力学性能,本文基于德国MATFEM公司CrachFEM失效模型研究带有断裂失效短纤维增强复合材料的力学性能。基于CrachFEM失效模型理论,开展了不同纤维方向和不同应变率的单轴拉伸试验研究材料的各向异性、粘弹性和动态应变率效应,同时也进行了多种断裂失效试验研究材料的断裂失效。根据单轴拉伸试验数据和已有的理论基础拟合材料弹塑性力学性能参数,根据断裂失效试验数据和CrachFEM失效模型拟合材料韧性正向失效极限曲线,编辑短纤维增强复合材料(PP+GF30)材料仿真卡片。同时建立单轴拉伸试验有限元模型,进行不同纤维方向和不同应变应变率的单轴拉伸试验力与位移曲线仿真对标,验证材料卡片对短纤维增强复合材料各向异性、粘弹性和动态应变率拟合精度;建立三点弯曲、穿孔试验的有限元模型,进行断裂失效试验的力与位移曲线的仿真对标,验证CrachFEM失效模型对短纤维增强复合材料断裂失效拟合精度,开发的材料卡片很好的描述了材料的力学性能。基于国标GB 11551-2014和GB/T 20913-2007建立整车正面100%重叠刚性壁碰撞有限元模型和正面40%重叠可变形壁障碰撞有限元模型。采用CrachFEM失效模型、常应变失效模型、GISSMO失效模型三种失效模型的材料仿真卡片,进行短纤维增强复合材料水箱支架整车级的碰撞仿真,分析水箱支架的断裂失效行为。并通过对左右两侧B柱加速度和A柱变形进行分析,可知采用短纤维增强复合材料水箱支架满足企业对整车碰撞安全性的要求。
【学位授予单位】：厦门理工学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：U467.14;U465
【图文】：

示意图,纤维增强复合材料,整车,示意图

进而应用于汽车主要承力部件，如底盘、轮毂、车身等结构件[16-21]。图1-1为纤维增强复合材料在整车上应用示意图。图1-1 纤维增强复合材料在整车应用示意图目前国内外对纤维增强复合材料性能进行了综合的研究，如力学性能、电磁学、热性能、疲劳等。纤维增强复合材料的损伤失效机理研究也越来越成熟：从宏观来看，长纤维增强复合材料断裂失效可分为纤维断裂、基体断裂以及纤维和基体界面脱胶开裂等失效形式[22]；从微观角度而言，纤维增强复合材料的断裂失效可以分为面内纤维断裂、面内基体断裂和面内剪切屈服等失效形式[22,23]，纤维增强复合材料的断裂是由以上三种断裂失效形式共同作用的结果。长纤维增强复合材料无论是从试验还是仿真都做了大量的研究，但是短纤维增强复合材料由于纤维短，纤维之间以及纤维与基体之间的不连续性，使得其结构相互作用复杂，对材料局部变形、断裂失效过程、宏观强度以及韧性方面产生明显的影响，短纤维增强复合材料的断裂失效行为相较长纤维增强复合材料更为复杂。对短纤维增强复合材料的研究以建立微观结构模型为主

曲线,韧性,正向,失效模型

常用的材料断裂失效模型有 Johnson-Cook 损伤失效模型(应力三轴度小于 1/3 的脆性断裂失效)、G-T-N 损伤失效模型(应力三轴度大于 1/3 的韧性断裂失效)、修正的Mohr-Coulom(modified Mohr-Coulom，MMC)损伤失效模型等[62]。随着德国 MATFEM 公司开发的 CrachFEM 失效模型在主机厂推广的应用，CrachFEM 失效模型也逐渐成为常用的断裂失效模型。CrachFEM 失效模型是以金属断裂失效理论为基础建立起来的，将材料的断裂失效分为韧性正向失效、韧性剪切失效和局部颈缩引起的失稳失效，失效形式如图 2-1、2-2、2-3 所示。韧性断裂是材料在受力过程中发生显著的塑性变形引起宏观层面断裂，材料韧性断裂的微观方面成因则是已存在或者随着变形新生成微裂纹或者微孔洞的成核、长大直到相互聚合直至断裂的模式，微裂纹和微孔洞的成因是金属材料中第二相粒子、位错堆积或者其他缺陷引起的[63,64,65]。CrachFEM 韧性失效准则通过等效失效应变和主应变比描述断裂特征的断裂极限曲线，作为材料韧性断裂失效的评估依据。高应力三轴度下断裂失效为韧性正向失效，而低应力三轴度下则为韧性剪切失效。

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