单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化_张学文.pdf

单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化：.单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化张学文，王继辉，陈宏达，倪爱清（.武汉理工大学 材料科学与工程学院，武汉；.武汉理工大学 材料复合新技术国家重点实验室，武汉）摘要：基于超高分子量聚乙烯纤维增强聚氨酯（）单向带预浸料对热冲压过程进行模拟仿真建模与工艺优化研究。首先对单向增强热塑性复合材料在热冲压过程中的力学行为进行描述，建立热率相关的非正交次弹性本构面内剪切本构，同时考虑热相关的面内拉伸性能；使用 进行半球热冲压成型模拟仿真；基于主曲率法，使用 对模拟结果的面外褶皱进行定性与定量评估；研究热冲压成型工艺中，三个主要参数（压边圈压强、预浸料初始温度与模具温度）与褶皱量的关系；以最小量面外褶皱为目标，使用响应面方法对热冲压模拟成型进行优化，确定压边圈压强、预浸料初始温度及模具温度的最佳工艺参数。结果表明：压边圈压强与预浸料初始温度对褶皱影响较大；响应面法能够较为准确地预测出最佳成型工艺参数。关键词：热塑性复合材料；有限元分析；单向带预浸料；响应面法；热冲压成型中图分类号：文献标识码：文章编号：（），（.，；.，）：（）（），（，），：；（）；（）；收稿日期：作者简介：张学文（），男，硕士研究生，研究方向为聚合物基复合材料。通讯作者：陈宏达（），男，副研究员，研究方向为聚合物基复合材料，.。年 月复合材料科学与工程 连续纤维增强热塑性复合材料（）具有优异的比强度和比刚度，在汽车和航空工业中有广泛的应用前景。与热固性复合材料相比，具有成型快、断裂韧性高、预制材料易保存和可回收等优点。热冲压成型工艺是 主要成型工艺之一。在热冲压过程中可能会发生纤维取向的再分布及面外褶皱缺陷等，其中面外褶皱缺陷显著影响 产品的力学性能。因此，为了提高产品结构质量，有必要对热冲压过程中的材料变形机理及褶皱形成原理开展研究，并进行相关工艺优化。热冲压工艺主要包括三个阶段：预热、冲压和冷却。在整个成型过程中，冲压是决定 产品质量的最关键阶段。冲压过程中的工艺参数包括预浸料温度、模具温度、冲压速度和压边圈压强等。工艺参数决定构件质量。等全面地研究了 热冲压成型工艺参数与产品缺陷的关系。等发现玻璃纤维增强聚丙烯（）单向带（）材料在较高的成型压力、冲压速度和模具温度下，缺陷会显著减少。结果表明，碳纤维增强聚醚醚酮（）预浸料的剪切刚度在 时比在 时高，不同剪切刚度可能导致热冲压过程中，产品中纤维的剪切角不同。此外，模具温度和预浸料上的温度分布也被认为是影响褶皱的重要因素。预浸料上温度的分布会产生不同的刚性区域，从而使组件内产生应力梯度和褶皱。由于 产品的结构性能高度依赖于成型工艺，因此在设计阶段应考虑成型参数的优化，从而提高整体效率。等提出了一种基于 的优化仿真流程，实现从设计到仿真、迭代优化和最终生产的方案。对于热冲压成型过程研究，主要工作集中在材料本构方程的推导、数值模型的建立和材料变形现象预测等方面。等基于离散理论建立了一种一维和二维单元混合的织物模型，这种介观建模方法可以用于模拟非正交次弹性本构行为的热冲压过程，等用该模型描述 层合板的面内剪切行为。、和 等基于次弹性或超弹性模型建立面内剪切或面外弯曲本构方程，同时引入 的速率相关性能够提高成型过程中剪切角与褶皱预测的精度。一些研究同时考虑材料的速率和温度依赖性，从而进一步提高模拟结果的准确性。尽管热冲压成型过程的数值方法已有许多研究，但仍缺少基于热冲压成型工艺全过程的优化。此外，由于大多数研究采用的是基于碳纤维或玻璃纤维增强的预浸料，其拉伸性能不受成型温度的影响，因此在材料模型中沿纤维方向的面内抗拉刚度通常被视为常数。本文研究对象是以超高分子量聚乙烯（）为增强纤维的复合材料，由于其熔点较低，材料力学性能受温度变化影响，并存在热相关性；同时树脂基体材料力学性能与载荷速率相关，存在率相关性。本研究同时考虑材料的热相关性与率相关性，以下简称为热率相关性。本研究建立考虑热率相关性的面内剪切行为模型和热相关的面内拉伸行为有限元模型。基于平均主曲率法，使用 对模拟结果的面外褶皱进行定性与定量评估；研究在热冲压成型工艺中，压边圈压强、预浸料初始温度与模具温度三个主要参数与褶皱产生的关系；以面外褶皱最小量为目标，使用响应面方法对热冲压模拟成型进行优化，确定压边圈压强、预浸料初始温度及模具温度的最佳工艺参数；使用 对最佳工艺参数进行验证。热冲压成型仿真模型构建及验证.面内剪切和拉伸力学行为仿真模型为了描述单向带材料本构模型，等将铺层的双层正交单向带结构视为一个整体，基于正交织物纤维剪切模型，建立表征单向带层合板的模型。这种层合板模型在单向带的研究中被广泛使用。热塑性预浸料面内剪切行为具有热率相关性，需在模型中考虑剪切速率与温度对性能的影响。本文使用次弹性模型描述材料本构行为，次弹性本构指应力速率与变形速率之间存在某种关系的本构模型。使用次弹性模型的面内有限元模型构建方法如下所示。对于次弹性模型，可以使用 客观应力率 描述材料应力张量与应变张量之间的关系，如式（）所示：（）其中：为弹性模量的四阶张量；为应变率的二阶张量。考虑纤维旋转张量与柯西应力张量，客观应力率可以写成：（）|（）年第 期单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化式中 为纤维旋转张量。为了更好地描述纤维织物方向变化与材料本身的方向，引入非正交协变基矢量 和逆变基矢量，结合正交 坐标体系基矢量 来模拟成型过程。纤维初始状态和发生剪切应变后的状态如图 所示。图 正交铺层单向带模型发生剪切应变后正交坐标系变化示意图.纤维旋转张量 的计算方法如下：（）的基矢量 从初始状态变换而来，如式（）所示：（）式中：为纤维方向基矢量；为纤维初始方向基矢量；为正交旋转张量，计算方法见式（）。（）式中：为变形梯度；为右伸长张量。纤维协变基矢量 从初始状态变换而来，计算方法如下：（）变形之后，坐标系的基矢量 的应变增量可以由纤维协变基矢量 和变换矩阵 表示，计算方法如下：（，）（），()，()，()，()|（，）（）剪切应变的增量如式（）所示：（）沿纤维方向的应力增量如式（）所示：（，）（）式中 为热相关的面内拉伸行为本构，计算方法如下：（）式中：，为拟合参数；为温度。考虑到面内剪切行为的热力相关性，在面内剪切本构 中考虑温度与剪切速率的影响，计算方法如下：（，）（）（）（）（）|（）（）（）式中：为剪切应变；为剪切速率；和 为 参数；，和 为拟合参数；为温度拟合缩放参数。根据 和 公式，纤维坐标系中的柯西应力如式（）所示：（）坐标系基矢量 方向上的总应力可通过纤维方向上的应力计算得出，计算方法如下：（）通过 子程序将材料模型写入 模块，计算流程图如图 所示。其中虚线方框部分由 子程序实现，实线方框在 原生程序中执行。图 子程序流程图.材料面内本构方程的拟合本文的研究对象是预浸料，由四个单向层组成，铺层结构为；基体为聚氨酯（），增强纤维为超高分子量聚乙烯（年 月复合材料科学与工程）；总厚度约为.，在厚度方向约有 根纤维，含胶量约为。厂商建议长期使用温度为常温至 ，建议加工温度上限为 。使用文献中的试验数据建立面内剪切本构模型，基于公式（）对不同温度条件下的面内剪切刚度曲线进行拟合。拟合结果如图 所示，拟合的曲面与测试曲线吻合度较高；使用文献中的试验数据建立面内拉伸本构模型，基于公式（）拟合材料温度与抗拉刚度之间的关系，结果如图 所示。两个模型方程的拟合参数如表 所示。由于热塑性预浸料在熔融状态下的面外弯曲刚度较低，许多研究在其成型模型中只考虑了材料的面内行为。然而最近研究人员发现，面外褶皱与材料的面外弯曲刚度至关重要。本研究采用温度位移耦合壳单元和横向剪切刚度对模型进行了面外弯曲刚度的研究，其中横向剪切刚度.，。需要注意的是，使用壳单元与横向剪切刚度会导致面外弯曲刚度偏高，但考虑到本研究的主要目标是研究褶皱产生的早期引发阶段，上述模型适用于本研究。图 在不同温度下材料面内剪切拟合曲面.图 不同温度下热依赖性抗拉刚度的线性拟合.表 本构模型的拟合参数 参数数值参数数值（）（）（）.层间行为建模本研究中热冲压模型的层间行为主要包括摩擦行为与热行为。摩擦行为包含层层摩擦和层模具摩擦。对于层层摩擦，由于热塑性树脂在成型时处于黏流态，层与层之间存在复杂的力学关系。本文将单向带结构视为一个整体，使用.节中的面内剪切模型并基于文献中单向带的试验数据拟合模型。这种方法从宏观角度将层层摩擦接触、树脂黏性和剪切角大小等用面内剪切模型表征。对于层模具摩擦，等通过测试处于加工温度时 的摩擦性能，发现处于加工温度时热塑性材料的摩擦力较低，设置库仑摩擦系数为.。热行为包含层内传递和层间传递行为。本研究中使用的 复合材料的热性能包括比热 和导热系数。对应的材料热性能见表。需要注意的是，导热只考虑横向导热率。（）（）（）|（）式中：，与，分别为树脂和纤维的体积分数，密度和比热。表 热性能相关的材料特性，材料体积分数 密度 （）比热系数 （）导热系数 （）钢 对于层间热行为，该模型只考虑预浸料与冲压模具之间的导热传导行为，其中界面的间隙热导率（），。年第 期单向增强热塑性复合材料热冲压成型仿真与优化.半球热冲压模型构建半球热冲压模型根据文献设置，成型装置和预浸料的几何尺寸如图 所示。冲头和上下压边圈使用施加刚性约束的三维温度位移耦合单元（）。上压边圈压强为.，冲头速度为 ，冲程为。预浸料使用 节点温度位移耦合壳单元（），单元尺寸为 ，厚度为.。接触部分使用罚函数接触算法并考虑导热因素，设置库仑摩擦系数为.，导热参数设定见.节，冲头与压边圈温度均保持 ，预浸料的初始温度设置为 。图 仿真热冲压模型的形状与尺寸.仿真模型验证为了评价有限元模型的准确性，对比文献中的试验结果，验证仿真模型的有效性，对比结果如图 所示。图 不同建模策略的冲压模拟结果与实际冲压结果比较图.本研究还考虑了面内力学行为中的热率相关性，除了材料本构模型和温度相关设置外，其他材料的性质和成型条件均与文献相同。对比发现，本研究建立模型模拟结果图（）与文献中的建模结果图（）高度吻合，与试验结果图（）相似。对比图中的线条与绿色虚线框中的部分，发现纱线方向、面内剪角方面和面外褶皱缺陷部分相似程度高。说明此仿真模型在添加热率相关部分后如文献一样能够模拟热冲压成型过程。热冲压成型的优化方法.优化方案设计响应面分析法（，）是一种常用的优化设计方法，原理如下：对于一个点，若其周围点的实际函数值已知，能建立一个函数关系式拟合并预测该点周围的函数关系。当试验点靠近该点周围区域时，可以使用该函数关系式代替实际模型参与计算。中心复合试验设计（）是一种广泛使用的响应面试验设计方法。若模型存在 个参数因子，试验点由 个中心点、个轴向点和 个角点（立方点）组成。根据参数因子的取值区间确定试验方案。中心复合试验设计法中的各试验点如图 所示。角点的各点坐标通常为；轴向点分布在轴向上，除一个坐标为 外，其余坐标皆为；中心点是试验设计中心，坐标为（，）。图 三因子中心复合试验设计示意图.本文的 基于 .进行试验设计与优化分析。优化目的是调整仿真过程中的各项工艺参数，降低模拟成型过程中产品出现的褶皱，获得更好的模拟冲压结果。在前人的研究中发现，压边圈压强与温度对褶皱产生有显著的影响，而剪切速率对褶皱产生影响不大，同时考虑冲头与压边圈的导热问题，选择三种成型参数参与优化：为上压边圈压强（），为预浸料初始温度（），为模具温度（）。优化参数如表 所示。通过 方法得到 个仿真试验方案，如表 所示。冲压距离设置为 ，使所有仿真结果均维持在褶皱形成的早期阶段，确保仿真准确性。年 月复合材料科学与工程表 设计因素和水平 设计因素水平对应值（压强）（温度）（温度）表 根据三种成型参数的有限元试验设计及相应结果 仿真试验编号设计因素（压强）（温度）（温度）响应值（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）（，）因素 设计通常有 次试验，而本试验只有 次试验。这是因为在 因素 设计中，需要对 个角点、个轴