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基于OptiStruct的碳纤维复合材料铺层优化设计

2017/10/18    来源:互联网    作者:邓雅琼  钱攀  栗娜  敬敏  刘永杰      
关键字:碳纤维复合材料(CFRP)层合板  OptiStruct  等刚度原则  Chang-Chang失效准则  
本文基于等刚度设计原则,采用碳纤维复合材料(CFRP)单向布层合板替代某车型钣金加强件,并利用Chang-Chang失效准则分析CFRP件三点弯曲强度,其抗弯强度高于原钣金件,满足强度要求。

    复合材料层合板采用单向布进行铺层设计。根据经验,材料参数设置为:纤维方向弹性模量E1=1.05×105MPa,基材方向弹性模量E2=9.3×103MPa,主泊松比V12=0.298,面内剪切模量G12=3.3×103MPa,密度RHO=1.6×10-9g/mm3,纤维方向拉伸强度Xt=2200MPa,纤维方向压缩强度Xc=715MPa,基材方向拉伸强度Yt=41MPa,基材方向压缩强度Yc=120MPa,面内剪切强度S=51MPa,层间剪切强度SB=40MPa。

    铺层厚度迭代过程如表3 所示。

    表3 铺层优化迭代过程

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    质量变化曲线如图5 所示。

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    图5 优化过程质量变化

    铺层设计应遵循以下原则:

    1)铺层方向应按强度、刚度要求确定,为满足层合板力学性能要求,虽可以设计任意方向铺层,但从分析、设计和工艺角度,通常采用四个方向铺层,即0°、45°、-45°、90°四个铺层角度。

    2)为简化层合板分析与设计,应尽量采用成对的±45°铺层。

    3)受拉、压为主的构件,应以0°铺层居多为宜。

    4)铺层相对于板的中面应对称布置,避免固化过程中由于弯曲、拉伸、扭转等耦合效应引起翘曲变形和树脂裂纹。

    5)如果层压板有些铺层无法实现对称,可将非对称铺层尽量靠近中面布置。

    6)选用铺层应该均衡布置(+45°和-45°铺层数量相等)以减小制造中的回弹与挠曲。根据尺寸优化结果、铺层设计准则确定最终铺层厚度和顺序如表4 所示,优化后结构总质量为4.13kg。

    表4 铺层优化结果

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    3.4 复合材料层合板刚度验证

    根据最终的复合材料铺层设计,对复合材料层合板进行自由模态和刚度工况分析,与金属结构的性能对比如下表5所示。

    表5 复合材料层合板与金属结构件刚度分析结果对比

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    可得,相同工况条件下,该铺层下的复合材料层合板性能满足刚度要求。

    4 点弯工况强度验证

    4.1 复合材料结构弯曲强度理论分析

    复合材料加强板的弯曲强度分析,需要考虑复合材料的单层失效模型,以及失效后的刚度下降。某动力学软件中的MAT54 材料卡片通过Chang-Chang 失效准则模拟单层材料的4中失效模式。

    1)纤维拉伸失效:

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    4.2 复合材料件三点弯曲分析

    应用Dyna 软件对复合材料层合板进行三点弯曲准静态分析,以刚性圆柱作为压头,施加竖直向下的强制位移100mm,复合材料设置MAT54 材料卡片通过Chang-Chang 失效准则模拟单层材料的4 种失效模式。

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    图6 复合材料层合板位移云图

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    图7 复合材料层合板载荷曲线

    复合材料加强板的位移云图如图5 所示,在下压量为85mm 时,复合材料结构出现顶部断裂,结构达到最大承载能力。刚性圆柱在下压过程中,当一个单元上的某一单层出现纤维失效时,该层即完全失效;当所有铺层(即厚度方向的所有积分点)出现纤维失效,该单元将被删除。复合材料结构对刚性圆柱的作用力曲线如图5 所示,由于树脂基复合材料为脆性材料,其断裂延伸率仅为2%左右,因此在破坏之前作用力曲线表现为线性增大;当单层中某一方向的应力达到强度极限后,该层会马上出现破坏,作用力迅速减小,表现出局部断裂,而不会表现出金属拉伸时的颈缩特性,在此过程中最大作用力为6483.8N。

    以上分析结果反映出复合材料件的抗弯能力明显优于金属件。

    5 结论

    本文以等刚度原则,采用碳纤维复合材料(单向布)代替金属材料进行某车型车身加强件铺层设计,基于OptiStruct 软件对层合板进行尺寸优化,基于某动力学软件对CFRP 件进行三点弯曲强度分析,在金属材料刚度的约束条件下,实现了铺层优化设计,不仅满足结构的刚度、强度要求,也能实现48.38%的减重率,这种改进对于整车轻量化、降低排放量、节约燃油、增加行驶里程都具有重要意义。

责任编辑:张纯子
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