趙穎 施勁余 劉軒銘 鄧曉鋼 鄭斯琦
(西南大學(xué),重慶 400715)
主題詞:內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu) B柱 碳纖維復(fù)合材料 聚乳酸復(fù)合材料 性能分析
B 柱是車體的關(guān)鍵支撐承載件,具有成形深度大、部件截面變化復(fù)雜、成形件上下部高度存在起伏等結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[1-2],車輛發(fā)生側(cè)面碰撞時(shí),可起到承載和吸能作用,有效保護(hù)乘員安全[3]。
張芳芳等[4]考慮側(cè)面圓柱碰撞和移動(dòng)壁障碰撞工況,采用多因素權(quán)重分析和正交試驗(yàn)方法,對車體響應(yīng)及B 柱材料和厚度參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,結(jié)果表明,B 柱腰線處的侵入速度和侵入量都得到了有效改善,然而,在B柱優(yōu)化時(shí)忽略了輕量化目標(biāo)。游國忠等[5]建立B柱簡化模型,采用拓?fù)鋬?yōu)化和形狀優(yōu)化方法,對B 柱內(nèi)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),雖降低了其腰線處的侵入速度,但未減輕B柱質(zhì)量。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異吸能特性,在車輛部件中具有廣闊的應(yīng)用前景[6]。鄒松春等[7]基于汽車修理研究協(xié)會(huì)(Research Council for Automotive Repairs,RCAR)法規(guī)和ECE R95法規(guī),分別對傳統(tǒng)B柱和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)B 柱進(jìn)行側(cè)面碰撞吸能特性分析,結(jié)果表明,與傳統(tǒng)B柱結(jié)構(gòu)相比,所設(shè)計(jì)的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)B柱可有效降低側(cè)面碰撞侵入位移和速度。
為滿足B 柱對強(qiáng)度、剛度和輕量化特性的需求,本文提出一種新型內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)B 柱,其內(nèi)、外板采用碳纖維復(fù)合材料,夾芯層為以聚乳酸椰殼纖維復(fù)合材料為基體材料的內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu),采用有限元仿真分析方法獲得具有最優(yōu)微拓?fù)鋮?shù)的微結(jié)構(gòu)、碳纖維鋪層厚度和夾芯層厚度的B柱設(shè)計(jì)方案,并選取側(cè)向彎曲、后向彎曲、三點(diǎn)彎曲3種典型工況進(jìn)行對比分析。
內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微元胞二維結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中,L為兩腰胞壁長度,N為底邊胞壁長度,H、h分別為微元胞和底端平臺(tái)高度,M為微元胞水平胞壁長度,d為兩腰內(nèi)凹角,δ為底邊胞壁與微元胞軸線夾角,c為兩腰胞壁與微元胞軸線夾角,a、b分別為微元胞兩腰和底邊胞壁厚度。將二維微元胞賦予面外厚度i,將二維微元胞沿著Z軸旋轉(zhuǎn)90°并與原二維微元胞交叉形成三維內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微元胞,將三維微元胞分別沿X、Y、Z軸陣列排布,最終形成三維內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)。
圖1 內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微元胞結(jié)構(gòu)
又:
式中,α∈(0,1)為厚度系數(shù);β∈(0,1)為長度系數(shù);γ為寬度系數(shù)。
設(shè)定胞壁比例系數(shù)K=a/b,為保證微元胞呈現(xiàn)負(fù)泊松比效應(yīng),底端胞壁和兩腰胞壁需呈內(nèi)凹狀,因而,140°<d<180°,c>20°。由幾何關(guān)系可得,長胞壁應(yīng)完全位于微元胞內(nèi),故c<180°-dmin,即c<40°,其中dmin為兩腰內(nèi)凹角最小值。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可得K=0.8,為減少多目標(biāo)優(yōu)化計(jì)算的樣本數(shù)量并兼顧微元胞的輕質(zhì)特性,取γ=0.2。
內(nèi)凹三角形微結(jié)構(gòu)的相對密度越小,質(zhì)量越輕。因此,可將微結(jié)構(gòu)的輕量化目標(biāo)轉(zhuǎn)化為其相對密度最小目標(biāo)。對于三維微元胞,其等效密度ρc與胞壁材料密度ρs的關(guān)系為:
因此,三維微元胞的相對密度ρRD,3D可表示為:
式中,V1=i[2bL+a(M+N)+bM/2]為微元胞內(nèi)胞壁體積;V2=H[M+Lsinc+Lsin(d-c)]2為微元胞體積。
三維微元胞相對密度示意如圖2所示。
圖2 三維內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微元胞相對密度示意
聯(lián)合式(5)、式(6),可得相對密度ρRD,3D:
其中:
綜上,相對密度表達(dá)式為:
建立內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型如圖3 所示,為對微結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行分析,選用Hyperworks-Lsdyna聯(lián)合仿真方法,基體材料采用聚乳酸椰殼纖維復(fù)合材料,密度ρ=1 189 kg/m3,彈性模量E=4.48 GPa,泊松比μ=0.3,屈服應(yīng)力σ=150 MPa。模型底端節(jié)點(diǎn)自由度全約束,剛性墻以沖擊速度v=10 mm/min沿Z軸反方向沖擊[8],剛性墻和模型之間的靜摩擦因數(shù)fs和動(dòng)摩擦因數(shù)fd均設(shè)置為0.2。為保證仿真收斂性和計(jì)算效率,設(shè)定網(wǎng)格尺寸為0.7 mm。
圖3 內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)有限元模型
采用3D 打印技術(shù)打印樣件,與有限元模型尺寸一致,內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)樣件尺寸為260 mm×260 mm×113 mm,其中,α=0.15,β=0.70,c=27°,d=155°,如圖4 所示。采用MTS 液壓伺服試驗(yàn)機(jī)對內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)開展準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn),MTS液壓伺服試驗(yàn)機(jī)加載速率與仿真分加載速率保持一致,如圖5 所示。
圖4 內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)3D打印樣件
圖5 準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)設(shè)備
在準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)過程中,3D 打印樣件中的微元胞經(jīng)歷了開始接觸、壓縮變形、部分微元胞壓潰、微結(jié)構(gòu)被完全壓潰4 個(gè)階段。選取不同的應(yīng)變?chǔ)?,并對仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比分析,如圖6 所示,仿真工況與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)條件下內(nèi)凹三角形微結(jié)構(gòu)均呈現(xiàn)明顯的“壓縮-收縮”的負(fù)泊松比變形特性,且變形模式總體保持一致,驗(yàn)證了仿真分析模型的可靠性。
圖6 不同的應(yīng)變條件下仿真分析與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)變形模式對比
同時(shí),可得到有限元仿真分析與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖7 所示,由圖7 可知,2 條曲線基本吻合,進(jìn)一步驗(yàn)證了仿真模型的準(zhǔn)確性。
圖7 仿真分析與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)應(yīng)力-應(yīng)變曲線
為直觀反映結(jié)構(gòu)的抗變形能力,繪制有限元仿真分析與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)的力-位移曲線如圖8所示。
圖8 仿真分析與準(zhǔn)靜態(tài)壓縮試驗(yàn)力-位移曲線
內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)在沖擊過程中所吸收的能量可由應(yīng)力-應(yīng)變曲線與應(yīng)變坐標(biāo)軸所包圍的面積表示。單位體積吸能量(Specific Energy Absorption,SEA)可表達(dá)為:
式中,W為單位體積吸能;εD為密實(shí)應(yīng)變;σ(ε)為瞬時(shí)應(yīng)力。
在特定吸能量條件下,峰值力(Peak Collision Force,PCF)會(huì)影響沖擊過程中產(chǎn)生的最大碰撞力和最大減速度,PCF越小,微元胞抵抗塑性坍塌的能力越強(qiáng)。
相對密度ρRD,3D表征微結(jié)構(gòu)質(zhì)量,相對密度越小,輕量化效果越明顯。為滿足B 柱剛度、強(qiáng)度與輕量化需求,以SEA最大、PCF最小和相對密度最小為優(yōu)化目標(biāo)。
響應(yīng)面法是通過合理的試驗(yàn)設(shè)計(jì)建立設(shè)計(jì)變量、優(yōu)化目標(biāo)和約束之間的近似函數(shù)關(guān)系的方法,相對于復(fù)雜模型,采用響應(yīng)面法評估更加簡便[9]。綜合考慮計(jì)算量和計(jì)算精度的影響,最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法是在設(shè)計(jì)空間獲取能夠反映真實(shí)模型仿真點(diǎn)的常用方法,在試驗(yàn)因素設(shè)計(jì)空間區(qū)域內(nèi)進(jìn)行均勻、隨機(jī)、正交采樣,可以較少的點(diǎn)獲取大量的模型信息[10]。如表1所示,首先采用最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)方法選取23組樣本點(diǎn),對23組樣本點(diǎn)的模型進(jìn)行仿真分析,得到相應(yīng)的響應(yīng)值,然后構(gòu)建響應(yīng)面模型作為微元胞結(jié)構(gòu)參數(shù)的近似分析模型,最后采用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)獲得內(nèi)凹三角形微元胞的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)。
表1 不同樣本點(diǎn)選取
內(nèi)凹三角形微元胞多目標(biāo)優(yōu)化模型為:優(yōu)化目標(biāo)為SEA最大、PCF最小、相對密度最?。粌?yōu)化變量為α、β、c、d,邊界條件設(shè)定為α∈(0,1)、β∈(0,1)、c∈(20°,40°)、d∈(140°,180°)。
基于上述樣本點(diǎn)建立有限元仿真模型,求解獲得響應(yīng)值SEA和PCF。在Isight軟件中采用三階響應(yīng)面模型擬合,得出代理多項(xiàng)式:
式中,xj(j=1,2,3,4)為樣本點(diǎn)值;λj(j=1,2,3,…,15)為系數(shù);y為響應(yīng)值,即SEA和PCF。
SEA和PCF的表達(dá)式分別為:
式中,F(xiàn)cr為峰值力。
響應(yīng)面模型擬合誤差分析主要通過相關(guān)數(shù)值R2展現(xiàn),通常,當(dāng)R2≥0.9 時(shí)滿足近似擬合條件。圖9 所示為(c,d)、(c,α)、(c,β)、(d,α)、(d,β)、(α,β)6 組樣本點(diǎn)條件下微結(jié)構(gòu)的SEA和PCF響應(yīng)面模型。由圖9可知,響應(yīng)面模型均曲面光滑、斜率及其變化率均較大,可知SEA 和PCF受4個(gè)變量的影響均顯著。在此基礎(chǔ)上,響應(yīng)面模型誤差分析的相關(guān)參數(shù)R2為0.97,進(jìn)一步說明了式(13)和式(14)的準(zhǔn)確性與可靠性。
圖9 各樣本點(diǎn)條件下微結(jié)構(gòu)的SEA和PCF響應(yīng)面模型
基于上述SEA和PCF響應(yīng)面模型,獲得最優(yōu)的微元胞結(jié)構(gòu)參數(shù)為α=0.11、β=0.84、c=24°、d=149°,此時(shí),峰值沖擊力為332.6 N,單位體積吸能量為455.1 kJ/m3。
聚乳酸是一種綠色材料,可應(yīng)用于汽車部件[11],椰殼纖維兼具優(yōu)異的力學(xué)和熱學(xué)性能,可與聚乳酸復(fù)合增強(qiáng)其強(qiáng)度與剛度特性,有效提升椰殼纖維利用率[12]。碳纖維是一種高強(qiáng)度、高模量的纖維材料,具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)[13]。碳纖維密度為1 750 kg/m3,泊松比為0.307,彈性模量為210 GPa。
聚乳酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)對聚乳酸椰殼纖維復(fù)合材料的沖擊性能具有顯著影響,如圖10 所示,改變聚乳酸材料中椰殼纖維的含量可改變復(fù)合材料的強(qiáng)度與剛度特性。本文將聚乳酸椰殼纖維復(fù)合材料應(yīng)用于B 柱夾芯微結(jié)構(gòu)中,以滿足B 柱高強(qiáng)剛度和優(yōu)異吸能特性的需求。
圖10 不同纖維含量條件下復(fù)合材料拉伸性能
由圖10 可知,椰殼纖維含量為30%處的材料拉伸強(qiáng)度和拉伸模量達(dá)到極大值,內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)的基體材料選擇椰殼纖維和聚乳酸含量比值為3∶7的復(fù)合材料[14],主要參數(shù)如下:密度為1 189 kg/m3,泊松比為0.3,彈性模量為4.48 GPa。
基于均衡對稱鋪設(shè)、鋪層定向和鋪設(shè)順序的鋪設(shè)原則[15],為減少層間開裂和邊緣分層現(xiàn)象,碳纖維鋪層不宜超過4層。因此,厚度變量范圍為0.1~0.5 mm[15],選定初始鋪層角度分別為45°、0°、90°和-45°,設(shè)置單層初始厚度為0.2 mm,鋪層4層。
優(yōu)化獲得B柱夾芯結(jié)構(gòu)的最佳厚度,并經(jīng)聯(lián)合優(yōu)化獲得內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比微結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)鋮?shù),最后依據(jù)實(shí)際制造工藝選取夾芯微元胞的層數(shù)。
構(gòu)建包含B柱內(nèi)板、外板以及復(fù)合材料B柱加強(qiáng)板的B柱總成三維有限元模型,網(wǎng)格大小設(shè)置為10 mm[16]。為簡化計(jì)算,采用薄板代替B 柱夾芯微結(jié)構(gòu)層[17],所建立的B柱有限元模型如圖11所示。
圖11 B柱有限元模型
賦予薄板一初始厚度,B 柱底端和頂端自由度全約束,在B 柱中心處施加大小為1 000 N 的力,約束Y軸方向位移不超過7.163 mm[18]。本文以質(zhì)量最小為目標(biāo),采用OptiStruct 求解器對B 柱進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),經(jīng)過7次迭代,獲得其內(nèi)、外板和夾芯層的最優(yōu)厚度,其中,內(nèi)、外板碳纖維45°、0°、90°和-45°鋪層的最優(yōu)厚度分別為0.484 7 mm、0.500 0 mm、0.500 0 mm、0.140 9 mm,聚乳酸椰殼纖維夾芯層最優(yōu)厚度為0.765 9 mm,如圖12所示。
圖12 碳纖維鋪層和微結(jié)構(gòu)夾芯層厚度優(yōu)化
選取側(cè)向彎曲、后向彎曲、三點(diǎn)彎曲3 種典型工況[19],將優(yōu)化后的復(fù)合材料B 柱與碳纖維B 柱、無夾芯碳纖維B柱進(jìn)行性能對比分析,碳纖維B柱和無夾芯碳纖維B柱厚度分別采用優(yōu)化后厚度,如表2所示。
表2 3種類型B柱層厚分布 mm
5.2.1 側(cè)向彎曲工況
將B 柱底部固支,在B 柱上部建立剛性單元,施加沿X軸負(fù)方向1 000 N 的拉伸載荷,加載點(diǎn)約束自由度1、5、6。自由度1、2、3 分別對應(yīng)X、Y、Z方向的位移,自由度4、5、6 分別對應(yīng)繞X、Y、Z軸的旋轉(zhuǎn),3 種材料B 柱的位移和應(yīng)力云圖如圖13~圖15所示。
圖13 側(cè)向彎曲工況下優(yōu)化后復(fù)合材料B柱的位移和應(yīng)力云圖
圖14 側(cè)向彎曲工況下碳纖維B柱的位移和應(yīng)力云圖
圖15 側(cè)向彎曲工況下無夾芯碳纖維B柱的位移和應(yīng)力云圖
5.2.2 后向彎曲工況
將B 柱底部固支,在B 柱頂部形心處建立剛性單元,沿Y軸負(fù)向施加1 000 N的拉伸載荷,加載點(diǎn)約束自由度2、4、6。3 種類型B 柱的位移和應(yīng)力云圖如圖16~圖18所示。
圖16 后向彎曲工況下優(yōu)化后復(fù)合材料B柱的位移和應(yīng)力云圖
圖17 后向彎曲工況下碳纖維B柱的位移和應(yīng)力云圖
圖18 后向彎曲工況下無夾芯碳纖維B柱的位移和應(yīng)力云圖
5.2.3 準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎曲工況
為簡化分析過程,將碰撞中的圓柱剛體的動(dòng)載荷轉(zhuǎn)化為其與汽車B柱接觸瞬間的靜載荷[15],設(shè)置剛性圓柱直徑為165 mm,位置設(shè)置于B柱兩端Z軸坐標(biāo)中點(diǎn)的外表面上邊緣:對B 柱下端施加1、2、3、5、6 共5 個(gè)自由度的約束,即變形過程中B柱下端僅可在X軸上可自由轉(zhuǎn)動(dòng);對B柱上端施加1、2、5、6共4個(gè)自由度的約束,即變形過程中B 柱上端僅可沿Z軸滑動(dòng)和繞X軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。對剛性圓柱上表面在沿Y軸負(fù)方向上均勻地施加80 mm 的強(qiáng)制位移,且壓縮速度設(shè)為4 mm/min[20],如圖19所示。
圖19 三點(diǎn)彎曲工況仿真分析B柱邊界條件及加載條件
在三點(diǎn)彎曲工況下,3 種類型B 柱的接觸力與時(shí)間關(guān)系曲線如圖20所示。由圖20可知:當(dāng)剛性圓柱下壓距離為70 mm時(shí),優(yōu)化后復(fù)合材料B柱所受的接觸力最大,為34 206.83 N;當(dāng)剛性圓柱下壓距離為66 mm時(shí),碳纖維B 柱的接觸力最大,為30 370.55 N;當(dāng)剛性圓柱下壓距離為55.3 mm時(shí),無夾芯碳纖維B柱的接觸力達(dá)到最大,為18 995.25 N。綜上可知,相較于碳纖維B 柱和無夾芯碳纖維B柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱的最大接觸力大于兩者的最大接觸力,即優(yōu)化后復(fù)合材料B柱的強(qiáng)度高于碳纖維B柱和無夾芯碳纖維B柱。
圖20 三點(diǎn)彎曲工況下3種類型B柱接觸力與時(shí)間的關(guān)系曲線
在三點(diǎn)彎曲工況下,優(yōu)化后復(fù)合材料B 柱、碳纖維B柱和無夾芯碳纖維B柱的最大位移分別為83.25 mm、83.27 mm和85.07 mm。由此可得,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱的強(qiáng)度最優(yōu)。
綜合以上分析結(jié)果,可得3種類型B柱在側(cè)向彎曲和后向彎曲工況下的最大位移和最大應(yīng)力及在三點(diǎn)彎曲工況下的最大位移和最大接觸力,如表3所示。
表3 3種類型B柱性能對比
由表3 可知:在側(cè)向彎曲工況下,相較于無夾芯碳纖維B柱與碳纖維B柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱側(cè)向彎曲位移和側(cè)向彎曲最大應(yīng)力均降低;在后向彎曲工況下,相較于無夾芯碳纖維B柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱后向彎曲位移減小,但相較于碳纖維B柱后向彎曲位移略有增大,同時(shí)相較于無夾芯碳纖維B 柱與碳纖維B 柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱后向彎曲最大應(yīng)力降低;在三點(diǎn)彎曲工況下,相較于無夾芯碳纖維B 柱與碳纖維B 柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱三點(diǎn)彎曲位移減小,彎曲最大接觸力有所提高。此外,相較于碳纖維B 柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B 柱質(zhì)量減輕。
本文提出一種內(nèi)凹三角形負(fù)泊松比夾芯微結(jié)構(gòu)B柱,推導(dǎo)出內(nèi)凹三角形微元胞的相對密度表達(dá)式,對微元胞結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化,得到微結(jié)構(gòu)的最優(yōu)微拓?fù)鋮?shù),對B 柱進(jìn)行厚度優(yōu)化設(shè)計(jì),得到具備最優(yōu)碳纖維鋪層、夾層厚度和微拓?fù)涞膮?shù)并確定其微結(jié)構(gòu)層數(shù)。最后,將優(yōu)化后的復(fù)合材料B柱分別與無夾芯碳纖維B柱和碳纖維B柱在側(cè)向彎曲、后向彎曲和三點(diǎn)彎曲工況下進(jìn)行性能對比分析,可得以下結(jié)論:
a.在側(cè)向彎曲工況下,相較于無夾芯碳纖維B柱與碳纖維B柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱側(cè)向彎曲位移分別降低42.28%和48.05%,具有優(yōu)異的抵抗變形能力。
b.在后向彎曲工況下,相較于無夾芯碳纖維B 柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱后向彎曲位移降低5.28%。
c.在三點(diǎn)彎曲工況下,相較于無夾芯碳纖維B柱和碳纖維B柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱三點(diǎn)彎曲最大接觸分別提升80.08%和12.63%,位移分別降低0.02%和2.14%,其強(qiáng)度提高。
d.相較于碳纖維B柱,優(yōu)化后復(fù)合材料B柱質(zhì)量減輕3.6%。
受試驗(yàn)條件和加工工藝等方面限制,本文缺乏對優(yōu)化后復(fù)合材料B 柱的三點(diǎn)彎曲試驗(yàn)驗(yàn)證。后續(xù)隨著先進(jìn)制造工藝的發(fā)展,可制作實(shí)體樣件以驗(yàn)證優(yōu)化后結(jié)果的準(zhǔn)確性。