CN112857992B - 一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法 - Google Patents

一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明创造提供了一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，步骤1:碳纤维单向带和典型铺层测试试样加工，并根据试验要求进行测试和处理试验数据；步骤2:搭建碳纤维仿真模型，并输入步骤1处理得到的数据,进行标定，判断样件仿真得到参数是否合理；步骤3:零部件三点弯曲工况标定，判断三点弯曲仿真得到参数是否合理；步骤4:标定结束，保存材料卡片。本发明创造所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法明确了仿真标定中各工况的顺序和要求，可以显著降低碳纤维复合材料的标定难度，缩短项目开发周期，通过两次标定可以提高材料卡片在整车中的标定精度，减少不必要的损失。

Description

一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法
技术领域
本发明创造属于碳纤维复合材料力学性能分析技术领域，尤其是涉及一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法。
背景技术
随着汽车轻量化的发展趋势，碳纤维增强复合材料以其轻质高强，且减震降噪、耐疲劳等优异性能成为汽车零部件研发的主流材料。目前车身上常用的两种碳纤维工艺为湿式模压成型工艺(WCM)、树脂传递模塑成型工艺(RTM)，对于主机厂和零部件厂而言，如何获得碳纤维材料的准确力学性能参数并在仿真中得到应用，成为轻量化开发的重点和难点。碳纤维复合材料在低速载荷下会产生如基体开裂、分层损伤和纤维断裂等多种复杂的损伤形式，为了准确预测这些复杂的损伤形式，必须建立准确的碳纤维复合材料力学性能有限元仿真模型。碳纤维复合材料为各项异性材料，区别于传统的金属材料,力学性能参数和损伤控制参数要比金属复杂多，且各个参数相互耦合，标定过程相对繁琐。目前碳纤维的模拟仿真中部分采用的LS-DYNA 54号材料卡片类型，54号材料卡片控制参数相对简单，对于拉伸压缩可以较好模拟，但对于剪切等复杂工况的模拟精度较低，不适合工程上的应用。而58号材料卡片通过调整软化系数、最小应力极限、最大有效应变等这些参数可以弥补54号材料卡片的不足。然而58号材料比54号材料控制参数多，标定复杂，不同参数对于不同工况的影响不同，如何获得精确的控制参数还缺少系统的流程和处理方法。
发明内容
有鉴于此，本发明创造旨在提出一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，该方法可以高效准确的获得碳纤维力学性能参数，并应于仿真模型中。
为达到上述目的，本发明创造的技术方案是这样实现的：
S1、碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切、零部件三点弯曲测试试样加工，并根据试验要求进行测试；
其中，碳纤维单向带的拉伸试样、压缩试样、剪切试样，包括0度和90度方向，典型铺层方式为0度和90度交替铺层形式，试样形状和单向带一致。拉伸试样、压缩试样、剪切试样均为长条状，零部件三点弯曲的试样是截面形状为几字形的横梁，试样尺寸根据测试仪器和实际应用的厚度而定。拉伸试样的固定位置和加载位置、压缩试样的固定位置和加载位置、剪切试样的固定位置和加载位置、零部件三点弯曲试样的左端支撑位置和右端支撑位置及加载位置按照试验操作手册进行，以准静态的加载速度加载，每个工况重复三次测试，力和位移传感器采集试验测试过程中得到的位移-载荷曲线。
S2、碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切试验数据处理，获到纤维和基体两个方向的弹模、强度值；
其中，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切试验测试结束后，检查三次试验测试结果的一致性，对于一致性较差的结果，通过试验照片分析问题产生的原因，必要的话要补做试验。通过单向带0度和90度的拉伸试验得到碳纤维纤维和基体方向的弹性模量和抗拉强度，通过单向带0度和90度的压缩试验得到碳纤维纤维和基体方向的压缩强度。通过单向带0度和90度的剪切试验得到碳纤维纤维和基体方向的剪切模量和剪切强度。典型铺层的试验结果用于步骤S4中仿真标定。
S3、搭建碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切仿真模型，并输入试验测试得到的弹模和强度值；
其中，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切仿真模型的搭建和试验保持一致，包括样件尺寸和纤维方向，并把步骤S2中得到的弹模和强度值输入到58号材料的对应位置，模型搭建包括网格划分、赋予厚度、输入材料信息、加载和约束设置、控制卡片设置，通过输出截面力和节点位移，模拟试验测试得到的位移-载荷曲线。
S4、按照拉伸、压缩、剪切的先后顺序进行标定；
其中，仿真标定顺序按照先单向带后典型铺层，先拉伸压缩，最后剪切的标定顺序进行。通过拉伸工况的标定得到拉伸控制失效参数，通过压缩工况的标定得到压缩控制失效参数，剪切工况的失效参数与拉伸、压缩耦合，要放在最后面标定。
S5、判断样件仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理；
其中，如图7所示，标定的指标包括弹性段的斜率、载荷峰值、断裂位置和断裂强度，具体要求为试验和仿真的斜率、峰值误差在15％以内，断裂位置和断裂强度的误差在20％以内。通过调整弹模、强度值和失效控制参数来实现仿真结果的标定，满足要求后进行步骤S6，否则重复步骤S4、S5，误差的定义为：
Figure BDA0002876463130000031
S6、零部件三点弯曲工况标定；
其中，零部件三点弯曲的工况标定包括网格划分、赋予厚度、输入材料信息、设置接触、加载和约束设置、控制卡片设置。通过读取压头和零部件的接触力模拟试验输出的载荷值，读取压头某一节点的位移模拟试验测试的位移值。
S7、判断三点弯曲仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是
否合理；
其中，零部件三点弯曲的标定指标、要求与步骤S5中描述的一致。如果不符合要求，分析产生误差的原因，返回步骤S4中，继续调整材料卡片参数。满足要求则进行步骤S8。
S8、标定结束，保存材料卡片；标定结束后，导出材料卡片放在整车或其他工况中备用。
相对于现有技术，本发明创造所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法具有以下优势：
本发明创造所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，提供的标定方法保证了试验与仿真的一致性，通过输入试验测试得到的弹性模量和强度值可以真实的反应碳纤维的力学性能，通过不同工况的标定，可以得到碳纤维纤维和基体方向的失效参数。本发明专利明确了仿真标定中各工况的顺序和要求，可以显著降低碳纤维复合材料的标定难度，缩短项目开发周期，通过两次标定可以提高材料卡片在整车中的标定精度，减少不必要的损失。
1、可以准确获得碳纤维各项力学性能参数。
2、可以实现碳纤维力学性能参数在仿真中得到应用。
3、既包括样件单个工况的标定，又包括复杂工况的零部件标定，保证了仿真精度。
附图说明
图1为本发明的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法的流程图；
图2为本发明中拉伸试验测试样件示意图；
图3为本发明中压缩试验测试样件示意图；
图4为本发明中剪切试验测试样件示意图；
图5为本发明中剪切试验加载示意图；
图6为本发明中零部件三点弯曲试验测试样件示意图；
图7为本发明中采用的LS-DYNA58号材料卡片设置示意图,图中参数不代表实际性能值；
图8为本发明中WCM工艺的碳纤维材料典型铺层拉伸仿真标定结果示意图；
图9为本发明中RTM工艺的碳纤维材料典型铺层拉伸仿真标定结果示意图；
图10为本发明中WCM工艺的碳纤维零部件三点弯曲仿真标定结果示意图；
图11为本发明中RTM工艺的碳纤维零部件三点弯曲仿真标定结果示意图。
具体实施方式
除有定义外，以下实施例中所用的技术术语具有与本发明创造所属领域技术人员普遍理解的相同含义。以下实施例中所用的试验试剂，如无特殊说明，均为常规生化试剂；所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。
下面结合实施例及附图来详细说明本发明创造。
需要说明的是本实施例中选择的标定卡片类型为LS-DYNA中58号材料卡片。碳纤维工艺为WCM和RTM两种工艺类型，碳纤维基体为环氧树脂。碳纤维材料力学性能仿真标定方法包括如下步骤S1至S7：
S1、碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切、零部件三点弯曲测试试样加工，并根据试验要求进行测试；
其中，碳纤维单向带的拉伸试样2、压缩试样12、剪切试样22，包括0度和90度方向，典型铺层方式0\45\-45\90度交替铺层形式，试样形状和单向带一致。拉伸试样2、压缩试样12、剪切试样22均为长条状，零部件三点弯曲的试样30是截面形状34为几字形的横梁，试样尺寸根据测试仪器和实际应用的厚度而定。拉伸试样的固定位置1和加载位置3、压缩试样的固定位置11和加载位置13、剪切试样的固定位置21和加载位置23、零部件三点弯曲试样的左端支撑位置32和右端支撑位置33及加载位置31按照试验操作手册进行，以准静态的加载速度加载，每个工况重复三次测试，力和位移传感器采集试验测试过程中得到的位移-载荷曲线。
操作手册
1、为先将拉伸、压缩、剪切试验式样按照标准尺寸(200mm*20mm)进行加工，加工时标主试样纤维方向。
2、测量试样的长宽高尺寸，并对试样进行标记。
3、将试样表面喷涂斑点方便拍照。
4、将万能静态拉伸试验机位移和力归零。
5、做拉伸、压缩、剪切试验时，试验机的固定端夹紧试样的一端，试验机的移动端加紧试样的另一端，加载速度为3mm/min。
6、三点弯曲试样长度建议为800mm,支撑跨距为600mm,压头位于试样中心位置，支撑和压头半径为40mm,加载速度为3mm/min。
7、在试验过程中，拍照，记录位移-载荷数据，同一试验重复三次。
S2、碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切试验数据处理，获到纤维和基体两个方向的弹模、强度值；
其中，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切试验测试结束后，检查三次试验测试结果的一致性，对于一致性较差的结果，通过试验照片分析问题产生的原因，必要的话要补做试验。通过单向带0度和90度的拉伸试验得到碳纤维纤维和基体方向的弹性模量和抗拉强度，通过单向带0度和90度的压缩试验得到碳纤维纤维和基体方向的压缩强度。通过单向带三个方向的剪切试验24得到碳纤维的剪切模量和剪切强度。典型铺层的试验结果用于步骤S4中仿真标定。
S3、搭建碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切仿真模型，并输入试验测试得到的弹模和强度值；
其中，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切仿真模型的搭建和试验保持一致，包括样件尺寸和纤维方向，并把步骤S2中得到的弹模和强度值输入到58号材料的对应位置，模型搭建包括网格划分、赋予厚度、输入材料信息、加载和约束设置、控制卡片设置，通过输出截面力和节点位移，模拟试验测试得到的位移-载荷曲线。
S4、按照拉伸、压缩、剪切的先后顺序进行标定；
其中，仿真标定顺序按照先单向带后典型铺层，先拉伸压缩，最后剪切的标定顺序进行。通过拉伸工况的标定得到拉伸控制失效参数，通过压缩工况的标定得到压缩控制失效参数，剪切工况的失效参数与拉伸、压缩耦合，要放在最后面标定。
S5、判断样件仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理；
其中，图8为WCM工艺的碳纤维材料典型铺层拉伸仿真标定结果示意图，图9为RTM工艺的碳纤维材料典型铺层拉伸仿真标定结果示意图。标定的指标包括弹性段的斜率、载荷峰值、断裂位置，具体要求为试验和仿真的斜率、峰值误差在15％以内，断裂位置的误差在20％以内。通过调整弹模、强度值和失效控制参数来实现仿真结果的标定，满足要求后进行步骤S6，否则重复步骤S4、S5，误差的定义为：
Figure BDA0002876463130000071
S6、零部件三点弯曲工况标定；
其中，零部件三点弯曲的工况标定包括网格划分、赋予厚度、输入材料信息、设置接触、加载和约束设置、控制卡片设置。通过读取压头和零部件的接触力模拟试验输出的载荷值，读取压头某一节点的位移模拟试验测试的位移值。
S7、判断三点弯曲仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理；
其中，零部件三点弯曲的标定指标、要求与步骤S5中描述的一致。WCM工艺的碳纤维三点弯曲的结果如图7所示，其中试验斜率为164.79MPa,仿真斜率为170.25MPa,误差为3.2％。试验峰值为3448.5，仿真峰值为3618.7，误差为4.7％。试验断裂位置为59.18mm,仿真断裂位置为57.25mm,误差为3.37％。RTM工艺的碳纤维三点弯曲的结果如图8所示，其中试验斜率为214.94MPa,仿真斜率为189.17MPa,误差为13.62％。试验峰值为2340N，仿真峰值为2280N，误差为2.63％。试验断裂位置为55.5mm,仿真断裂位置为51.4mm,误差为7.38％两种工艺都满足标定要求。
如果不符合要求，分析产生误差的原因，返回步骤S4中，继续调整材料卡片参数。满足要求则进行步骤S8。
S8、标定结束，保存材料卡片；标定结束后，导出材料卡片放在整车或其他工况中备用。
其中表1为WCM工艺碳纤维材料仿真与试验测试结果对比，表2为RTM工艺碳纤维材料仿真与试验测试结果对比。WCM工艺和RTM工艺的两种类型的碳纤维材料的弹模和强度值满足标定要求，证明测试和仿真标定方法可靠。
表1 WCM工艺碳纤维材料仿真与试验测试结果对比
Figure BDA0002876463130000081
Figure BDA0002876463130000091
表2 RTM工艺碳纤维材料仿真与试验测试结果对比
Figure BDA0002876463130000092
Figure BDA0002876463130000101
以上所述仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1:碳纤维单向带和典型铺层测试试样加工，并根据试验要求进行测试和处理试验数据；
步骤2:搭建碳纤维仿真模型，并输入步骤1处理得到的数据,进行标定，判断样件仿真得到参数是否合理；
步骤3:零部件三点弯曲工况标定，判断三点弯曲仿真得到参数是否合理；
步骤4:标定结束，保存材料卡片；
所述步骤1为碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切、零部件三点弯曲测试试样加工，并根据试验要求进行测试，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切试验数据处理，获到纤维和基体方向的弹模、强度值；
所述步骤1中，碳纤维单向带的拉伸试样（2）、压缩试样（12）、剪切试样（22），包括0度和90度方向，拉伸试样（2）、压缩试样（12）、剪切试样（22）均为长条状，零部件三点弯曲的试样（30）是截面形状（34）为几字形的横梁，拉伸试样的固定位置（1）和加载位置（3）、压缩试样的固定位置（11）和加载位置（13）、剪切试样的固定位置（21）和加载位置（23）、零部件三点弯曲试样的左端支撑位置（32）和右端支撑位置（33）及加载位置（31）按照试验操作手册进行；
所述步骤2中，标定的指标包括弹性段的斜率、载荷峰值、断裂位置，具体要求为试验和仿真的斜率、峰值误差在15%以内，断裂位置的误差在20%以内，通过调整弹模、强度值和失效控制参数来实现仿真结果的标定，满足要求后进行步骤零部件三点弯曲工况标定，否则重新按照拉伸、压缩、剪切的先后顺序进行标定，判断样件仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理，误差的定义为：。
2.根据权利要求1所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：所述步骤2为搭建碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切仿真模型，并输入试验测试得到的弹模和强度值，按照拉伸、压缩、剪切的先后顺序进行标定，判断样件仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理。
3.根据权利要求1所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：所述步骤2中，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切试验测试结束后，检查三次试验测试结果的一致性，对于一致性较差的结果，通过试验照片分析问题产生的原因，通过单向带0度和90度的拉伸试验得到碳纤维纤维和基体方向的弹性模量和抗拉强度，通过单向带0度和90度的压缩试验得到碳纤维纤维和基体方向的压缩强度，通过单向带三个方向的剪切试验（24）得到碳纤维的剪切模量和剪切强度，典型铺层的试验结果用于步骤2中仿真标定。
4.根据权利要求1所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：所述步骤2中，碳纤维单向带和典型铺层拉伸、压缩、剪切仿真模型的搭建和试验保持一致，包括样件尺寸和纤维方向，并把步骤1中得到的弹模和强度值输入到材料的对应位置，模型搭建包括网格划分、赋予厚度、输入材料信息、加载和约束设置、控制卡片设置，通过输出截面力和节点位移，模拟试验测试得到的位移-载荷曲线。
5.根据权利要求1所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：所述步骤3为零部件三点弯曲工况标定，判断三点弯曲仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理。
6.根据权利要求5所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：所述步骤3中，零部件三点弯曲的工况标定包括网格划分、赋予厚度、输入材料信息、设置接触、加载和约束设置、控制卡片设置，通过读取压头和零部件的接触力模拟试验输出的载荷值，读取压头某一节点的位移模拟试验测试的位移值，所述步骤3中，判断三点弯曲仿真得到的载荷位移曲线的斜率、峰值和断裂位置是否合理，如果不符合要求，分析产生误差的原因，返回步骤按照拉伸、压缩、剪切的先后顺序进行标定，继续调整材料卡片参数，满足要求则进行步骤4。
7.根据权利要求1所述的一种碳纤维材料力学性能仿真标定方法，其特征在于：所述步骤4中，标定结束后，导出材料卡片放在整车或其他工况中备用。
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