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【2010/11期】复合材料在汽车及其相关领域的应用发展
2010-12-16
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来源:汽车新材料网

复合材料车轮冲击试验仿真分分析
畅世为,张维刚
(湖南大学,汽车车身先进设计制造国家重点实验室,长沙 410082)
 
  摘要:根据轿车车轮冲击试验方法要求,建立复合材料车轮的冲击试验有限元模型,然后使用非线性有限元动力分析软件LS-DYNA对复合材料车轮冲击过程进行了仿真分析,并获得了车轮上某些测量区域冲击应变的时间历程,并与结构相同的铝合金汽车车轮相同部位的应变进行了对比。结果表明,复合此阿里车轮应变比铝合金车轮小30%~40%,说明其抗冲击性能更优。
 
  关键词:汽车车轮;复合材料;冲击试验;有限元仿真
 
  前言
 
  当前汽车轻量化的一个主要方法是采用铝、镁、塑料、玻璃纤维复合材料等轻质材料,复合材料具有质量轻、强度高、加工成型方便、弹性优良和耐化学腐蚀等特点,已逐步取代一些金属合金,广泛应用于汽车及其他领域。
 
  车轮是汽车的重要部分,作为汽车的非簧载质量,其质量的减轻比其他部件的减轻更主要,效果也更明显[1]。设计开发复合材料车轮,并研究其新歌能对汽车轻量化的发展具有主要意义。国内外均对汽车车轮有详细的标准要求,其中弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验是最基本的性能试验,以此来检验车轮的安全性。国外一些学者研究了复合材料在低速冲击时的动力学响应、损伤已经能量吸收等方面的很多问题[2-4],但还没有关于复合材料车轮冲击试验的分析研究。国内关于复合材料车轮也只有弯曲疲劳强度的分析[5],对其他、抗冲击性能的研究尚未开展。作者以复合材料车轮为研究对象,对其抗冲击性能进行仿真分析,为复合材料车轮设计开发提供依据。
 
  1 试验台架有限元模型建立与验证
 
  车轮冲击试验是车轮抗击性能的主要测试方法,用来模拟车轮在实践行使过程中受到轴向(横向)路边石冲击或车轮撞到道路边缘的工况。冲击试验台的结构如图1所示。

  根据图1所示各部件尺寸采用UG三维设计软件建立零部件模型,再进行有限元建模。其中试验台架的安装盘、钢板梁及底座都用六面体单元建模,材料模型为*MAT_ELASTIC各向同性弹性材料,其中弹性模量为210GPa,泊松比为0.3。橡胶支座分别采用4个两节点非线性离散弹簧单元(*MAT_SPRING_NONLINEAR_ELASTIC)和4个离散阻尼单元
 
  (*MAT_DAMPER_VISCOUS)进行模拟。其中弹性单元表达橡胶的静态变性特性,弹簧单元的非线性特性通过对橡胶材料进行拉伸试验获得载荷-位移关系表达;阻尼单元表达橡胶的动态阻尼,通过对阻尼单元设定阻尼值来表达。冲击仿真过程中由于各部件的相对位移引起弹簧或阻尼节点偏移,导致弹簧或阻尼单元变形方向不垂直于底座平面、故须设定一个垂直于底座平面的向量对单元变形方向进行约束。2个部件的铰接处通过刚化局部用revolutejoint功能定义铰链来实现铰接关系的模拟,部件的3个铰接通过双双铰接来模拟。台架底座节点限定6个自由度以实现固结构地面的模拟。
 
  试验中须对台架设备进行校正,通过在车轮安装中心施加1000kg的质量,测量钢板梁中心处在垂直方向的弯曲变形量应为(7.5±0.75)mm。在仿真中同样对试验台有限元模型进行静态评价,通过在车轮安装中心施加一个10kN的节点力,求得钢板梁中心处的挠度为7.5mm,由此可验证试验台架有限元模型的静态特性。
 
  在冲击过程中橡胶支座的阻尼特性通过阻尼单元来模拟,故需要确定其阻尼值。将冲头直接撞击试验台架上的安装盘,获得底座冲击力曲线,通过对比试验与仿真结果来确定阻尼值。
 
  GB/T15704-1995《轿车车轮冲击试验方法》[6]中规定冲头质量D=0.6W+180(W为车轮制造厂规定的最大车轮静载荷),文中冲头质量为400kg。
 
  试验中冲头初始高度为230mm,可计算出其余安装盘接触式的瞬时速度为2.124m/s。为了提高仿真计算速度,仿真中从接触时刻开始模拟,冲头材料设置刚体,并约束冲头运动方向,使其只能在垂直方向运动。
 
  通过设置不同的阻尼值,子算得到对应的底座冲击力变化曲线,在分别与试验曲线进行对比,找出与试验曲线最相似的曲线,确定其对应的阻尼值大小,并赋予阻尼单元。图2为有阻尼与无阻尼时底座冲击力与试验值的比较,由此确定的阻尼值使得仿真结果与试验基本一致。
  2 复合材料车轮的铺层结构设计与试验整体模型建立
 
  复合材料铺设计包括按载荷分量布置纤维取向,以最大限度地利用纤维承载的方向性和利用铺层“剪裁”设计获得结果所需的刚度特性,特别是独特的耦合刚度。铺层取向一般有以下要求:(1)铺层角度从0°、45°、-45°、90°中选取以便降低制造复杂性;(2)为简化铺层后的分析和设计,应尽量采用成对比的45°和-45°对称铺层[7]。文中使用的复合材料为碳纤维、酚醛环氧树脂(T300/4211),铺层方式只要为[0°/90°/±45°],(s=10)与[±45°/90°90°]。(s=10),前40层每层厚度为2mm,后40层每层厚度为2.1mm,此复合此阿里车轮总厚度为164mm。
 
  碳纤维、酚醛环氧树脂(T300/4211)单层板的基本性能参数[8]见表一。表1中V为碳纤维体积率;
  为碳纤维体积率;ρ为密度,E1、E2、E3分别纵向、横向、法向的弹性模量;G12、G13、G23分别为纵横向、纵法向、横法向的剪切弹性模量;V12、V13、V23为3个主泊松比;Xγ、XC为单向板纵向抗拉、抗压强度;Yγ、YC为单向板横向抗拉、抗压强度;S为面内剪切强度。
  对车轮轮毂按照上述各层厚度进行六面体实体单元网格划分,材料模型设定为*MAT_COMPOSITE_FAILURE_MODEL。文中铺层角度有4种,各层根据铺层角度的不同设定相应的坐标系参照上表赋予性参数,以此实现复合此阿里车轮的各向异性。
 
  轮胎是一种多层结构,其构成材料中钢丝、纤维帘线是线性弹性的,而橡胶则呈现很明显的非线性,故在建模时要体现出轮胎个部位的不同特性比较复杂。在冲头冲击过程中,轮胎受冲击部位为侧面的屈挠区,对冲击的抗力主要来自轮胎胎压和屈挠区刚性,其他部位的影响不大,屈挠区主要由胎侧胶与胎体材料构成,文中在保证此区域特性的前提下把轮胎模型简化为胎体、胎面以及胎侧3部分,其中胎体材料为正交各向异性材料(*MAT_ORTHOROPIC_ELASTIC)胎面与胎侧材料用MOONEY_RIVLIN橡胶材料(*MAT_MOONEY-RIVLIN_RUBBER),单元类型都为六面体实体单元。
 
  轮胎安装到轮毂上时存在紧力使轮胎紧贴轮毂,在有限元模型中必须在轮胎与轮毂接触面定义接触面,并对轮毂施加强制相向位移使其产生接触以模拟预紧力。而且容易在仿真过程中引起有限元模型的振动,影响仿真结果。由于车轮在冲击试验中失效形式多为产生裂纹,故文中对轮胎和轮毂贴合部位进行部刚化实现刚性连接。轮胎内部的胎压设置为试验标准要求的0.2MPa。
 
  试验中欧能够车轮通过螺栓连接在试验台安装盘上,在有限元模型中将4个螺栓孔的内表面的所有节点和安装盘上的某节点采用刚性连接,实现车轮固定,如图3所示。
 
  文中冲头冲击车轮部位为辐板,完整的冲击试验有限元模型如图4所示。
  3仿真结果分析及铝合金车轮对比
在有限元仿真中,为了获取在冲击过程中轮辐上的应变,在车轮轮辐6个变形敏感区域分别设置4个相邻的梁单元(见图5),以获取应变曲线,借此评价车轮各个区域内的变形程度,并以此评价在冲击过程中车轮抵抗变形的能力。其最大应变值越小,则车轮在冲击过程中产生裂纹失效的可能性越小。在测试中,通过在车轮轮辐某些位置设置应变比测量应变值(见图6)。
  建立了符合材料车轮冲击试验有限元模型后,运用LS-DYNA软件对其进行求解计算,图7所示为冲击过程中模型的最大变形图。
  通过仿真计算获得了6个变形区域各个测量点的变值曲线,图8所示为4号区域内的4个测量点的应变值随时间的变化图。
  在仿真初始阶段,轮胎冲击而变形,冲头未与轮毂直接接触,但由于轮毂与轮胎直接的刚性连接一部分冲击力传递到轮毂边缘,使梁单元产生微小应变。当冲头开始与轮毂接触时(图8中对于时间为0.025s),受冲击力影响梁单元变形逐渐增大,曲线中显示应变与时间呈线性关系。接着轮毂受冲头冲击发生倾斜使沿车轮轴向的冲击分力减弱,导致梁单元的变形逐渐减弱(图8中对应时间区间为0.03~0.04s)应变曲线出现波峰。当轮毂继续变形,梁单元变形增大,应变曲线出现波谷。当冲头速度降为零后,轮毂变形回复,梁单元应变值呈上升趋势,最终稳定。
对相同形状结构的铝合金车轮进行了有限元分析,铝合金车轮的参数为:E=70GPa,ρ=2700kg/m3,v=0.345,其相同测量区域测出的平均最大应变值分布与复合材料车轮对比如图9所示。
从图9可看出,复合材料车轮在冲击仿真中的应变绝对值比铝合金小30%~40%,故其在受冲击时抵抗产生裂纹导致失效的能力比铝合金车轮强。并且由于其材料密度小,所以比同种形状尺寸的铝合金车轮质量轻42.3%,对汽车的轻量化发展有很大帮助。
4 结论
(1)建立了冲击试验台的有限元模型,并对其静态和动态性能都进行了验证,确定了车轮冲击试验台的有效性。
(2)通过铺层设计建立了复合材料车轮有限元模型,对其他进行冲击试验仿真,获得了应变曲线,在冲击过程中其应变值铝合金车轮小30%~40%,说明其抵抗裂纹失效的能力更优,而且质量可比铝合金车轮减轻42.3%
(3)铺层厚度、铺层数以及铺层取向等因素的不同都会引起复合此阿里结构抗冲击性能达到最佳,是今后复合材料车轮优化设计的研究方向。
 
参考文献:
[1] 李明惠,卢晓春.CAD/CAE/CAM一体化技术在汽车轻量化中的应用[J].公路与汽运,2002:4—5.
[2] Serger Abrate,Impact on Laminated Composite Materials[J].ppl.Mech.Rev/1994,47(11):514-544.
[3] Bouadi H,Marple L R,Marshall A P.Normal and Oblique Impact on Thick-section Composite Laminates[C].ASME.1992:157-169.
[4] Prandy J,Recker H,Altstadt V.Effect of Absorbed Energy on the CAI Performance for Composite Materials [J].Int.SAMPE Symp and Exhibition,1991,36(1):901-911.
[5] 边文凤,刘国军,贾宝贤。复合材料汽车车轮的强度分析与铺层设计[J].机械强度,2008(3).
[6] GB/T15704-1995轿车冲击试验方法[S].1995.
[7] 赵渠森.先进复合材料手册[M].北京:机械工业出版社,2003.
[8] 王耀先.复合材料结构设计[M].北京:化学工业出版社,2001.
 
 

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