热塑性纤维金属层板抗冲击性能研究与优化_亓昌.pdf

（）年 第 卷 第 期 收稿日期：基金项目：汽车安全与节能国家重点实验室开放基金项目（）作者简介：亓昌，男，博士，教授，主要从事汽车安全与轻量化设计研究，-：；通信作者 杨姝，女，博士，副教授，主要从事汽车结构设计与优化研究，-：。本文引用格式：亓昌，付利荣，刘海涛，等 热塑性纤维金属层板抗冲击性能研究与优化 重庆理工大学学报（自然科学），（）：，（），（）：（）热塑性纤维金属层板抗冲击性能研究与优化亓昌，付利荣，刘海涛，杨姝，（大连理工大学 工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁 大连 ；大连理工大学宁波研究院，浙江 宁波 ；中国北方车辆研究所，北京 ）摘要：为研究热塑性纤维金属层板的抗冲击性能，通过拉伸实验测量所用复合材料力学性能，为有限元仿真建模提供材料参数。采用 -铝合金与玻璃纤维增强改性聚酰胺 复合材料预浸料制备正交铺层热塑性纤维金属层板，并对其进行落锤低速冲击实验。利用 -建立数值仿真模型并计算，仿真结果与实验结果误差在 以内，证明建模方法与材料参数的准确性。针对每层铝板厚度与复合材料铺层层数，选取碰撞峰值力 、等厚度吸能量 和层合板质量 为目标函数，对纤维金属层板进行多目标优化设计。结果表明：优化后纤维金属层板抗冲击性能与轻量化指标均得到有效提升，为工程实际应用提供参考。关键词：热塑性纤维金属层板；低速冲击；数值模拟；多目标优化中图分类号：文献标识码：文章编号：（）引言纤维金属层板是由金属材料与纤维增强复合材料交替铺设，并通过成型工艺制备而成的一种混杂结构 。世纪 年代，荷兰国家航空宇航技术研究所与 大学联合研制出了第一代芳纶纤维增强铝合金层板 。通过实验研究对比发现：纤维金属层板具有高强度、耐疲劳、抗冲击等优异特性，因此被广泛应用在航空航天领域中，例如：机 翼 蒙 皮、空 客 机 身 蒙皮 。纤维金属层板在应用中难免遭受外界物体的冲击，例如：物体碎片、冰雹、鸟、维修工具等 ，因此，研究纤维金属层板的抗冲击性能具有重要意义。纤维金属层板在冲击过程中展现出复杂的损伤失效特点，相关研究者主要通过实验与数值仿真分析研究纤维金属层板的抗冲击性能。等 采用壳单元建模方法建立由纤维金属层板制成的帽形结构仿真模型并模拟轴向压溃。在仿真模拟中分别采用 -与 -失效模型模拟铝合金材料与复合材料的失效行为，设定沙漏控制相关参数抑制非物理模型的变形。通过对比实验结果验证了建模方法的准确性，为相关研究者进行数值仿真分析提供了重要参考。李晓峰等 对玻璃纤维增强铝合金层合板进行不同冲击能量下的低速冲击实验并进行仿真模拟。通过对比发现：随着冲击能量增大，层合板的冲击响应时间逐渐变短，碰撞峰值力与变形损伤面积逐渐增大；第一与第二复合材料层基体拉伸损伤面积远大于第三、第四层。提出了一种弹簧 质量模型并结合有限元仿真方法，预测圆形纤维金属层板在低速冲击下的动态响应。目前国内外学者主要研究了由热固性复合材料制成的纤维金属层板的抗冲击性能 ，对于热塑性纤维金属层板研究较少。热塑性复合材料具有更加优异的成型性能，能大大降低层合板的成型固化时间，并且能回收利用，节约原材料 ，因此本文主要研究热塑性纤维金属层板抗冲击性能。纤维金属层板抗冲击性能会受到诸多因素影响，例如：冲击器形状 、厚度 、铺层角度 、温度与纤维类型 等，文献中只是对比分析相关因素对纤维金属层板抗冲击性能的影响，并未对层合板在特定冲击工况进行多目标优化，在实际结构的设计应用中指导性不强，因此本文针对热塑性纤维金属层板在低速冲击下进行多目标优化。本文首先通过拉伸实验测定玻璃纤维增强改性聚酰胺复合材料力学性能，利用 -铝合金与玻璃纤维增强改性聚酰胺 复合材料预浸料制备热塑性纤维金属层板。通过落锤冲击实验与有限元仿真模型探究纤维金属层板低速响应。在此基础上，以每层铝板厚度与复合材料铺层层数作为设计变量，以碰撞峰值力、等厚度吸能、轻量化为目标，对热塑性纤维金属层板进行多目标优化。热塑性复合材料力学性能参数测定 复合材料拉伸性能参数测定根据 标准，进行玻璃纤维增强改性聚酰胺 复合材料拉伸实验。复合材料具有各向异性的特点，在纤维铺设的方向具有较强的抗拉强度，垂直于纤维方向的拉伸载荷仅靠基体承受，抗拉强度大大降低。因此，本小节需要分别测量复合材料 个方向的拉伸参数。进行拉伸实验之前，首先进行复合材料样件的成型制备，不同拉伸方向样件尺寸要求如表 所示。按照设定角度分别铺贴 层、层已烘干的预浸料并放置在综合型复合材料压机中进行热压成型。将成型后的复合材料板按照表 中尺寸进行剪裁，剪裁后不同方向的拉伸样件如图 所示。表 复合材料样件拉伸尺寸标准单向 单向 宽度 总长度 厚度 加强片长度 加强片厚度 加强片锥面角度（）或 图 复合材料拉伸样件进行拉伸实验前将裁剪好的样件进行烘干处理，并在样件表面均匀喷涂白色散斑。在万能拉伸试验机上进行拉伸实验。设定拉伸试验机拉伸速度为 ，通过力传感器采集试验数据获取力随时间变化关系，当样件发生断裂时，拉伸过程结束。不同铺层方向样件拉伸断裂情况如图 所示，当进行 样件拉伸时，即纤维排布方向与拉伸方向垂直，样件主要依靠树脂间结合力承受拉伸载荷，最终在平行于纤维排布方向出现平整断口。当进行 样件拉伸时，即纤维排布方向与拉伸方向平行，玻璃纤维与树脂基体均承受拉伸载荷，在拉伸试验中发现基体首先出现部分断裂，而后玻璃纤维发生脆性断裂，整体呈现散开状。图 复合材料拉伸断裂试样提取拉伸过程中试验力随时间的变化数据，并将照片进行处理，获取样件在拉伸过程中的应变。求取 组实验数据平均值，得到复合材料拉伸样件应力 应变关系曲线，如图 所示。图 拉伸样件应力 应变关系曲线依照式（）与式（）计算得到复合材料的拉伸强度和杨氏模量，如表 所示。（）（）式中：为复合材料拉伸强度，；为最大拉伸载荷，；为拉伸样件横截面积，；为拉伸样件应力变化；为拉伸样件应变变化；为复合材料杨氏模量，。表 复合材料拉伸力学性能参数 方向 方向拉伸强度 杨氏模量 复合材料剪切性能参数测定根据 实验标准，进行复合材料剪切参数测量实验。采用 层玻璃纤维增强改性聚酰胺 复合材料预浸料进行铺设，铺层角度为 ，如图 所示。将成型后复合材料板进行剪裁，样件尺寸为 ，如图 所示。由于剪切样件在拉伸过程中试验力较小，因此在夹持端无需粘贴加强片。采用 的速率对样件进行拉伸，在拉伸过程中玻璃纤维受剪切力，样件发生沿 的双斜向断裂，如图 所示，取 组剪切样件试验力的平均值并进行应变分析处理，得到剪切样件的应力 应变关系曲线，如图 所示。根据式（）与式（）计算得到复合材料的剪切强度为 ，剪切模量为 。图 剪切样件铺层示意图图 复合材料剪切样件亓昌，等：热塑性纤维金属层板抗冲击性能研究与优化图 复合材料剪切样件断裂示意图图 剪切样件应力 应变关系曲线 纤维金属层板低速冲击实验与仿真 纤维金属层板低速冲击实验采用 -铝合金薄板与玻璃纤维增强改性聚酰胺 复合材料预浸料交替铺设，制备热塑性纤维金属层板。单层铝合金材料为 ，单层复合材料厚度为 。在两层铝合金薄板之间铺设 层复合材料，角度为 正交铺设。将铺设好的材料放置在综合型复合材料压机 中 进 行 热 压 成 型，层 合 板 整 体 尺 寸 为 。根据 标准，采用微机控制仪器化（示波）落锤冲击试验机对制备的热塑性纤维金属层板进行 低速冲击实验，如图 所示。图 落锤低速冲击实验图落锤低速冲击实验结束后，观察样件的损伤情况发现：在 冲击能量下，正交铺层样件在冲击区域正面出现圆形凹坑，背面产生凸起，表面未产生裂纹，冲击能量主要通过层合板整体塑性变形、复合材料内部损伤吸收。冲击过程中碰撞力随时间变化曲线如图 所示。图 层合板低速冲击试验力 时间关系曲线 数值仿真模拟与验证采用动力学分析软件模拟纤维金属层板低速冲击过程，以便分析层合板吸收能量、中心挠度、内部损伤等情况。本小节采用 -进行仿真模型的建立与计算，分别使用 -、-材料模型模拟铝合金与复合材料的损伤失效行为，采用内聚力接触行为模拟层间分层损伤，并将测量的复合材料参数用于仿真模型中。将建立的落锤低速冲击有限元仿真模型计算得出的碰撞力与实验结果进行对比，如图 所示，误差结果如表 所示，仿真模拟总体误差控制在 以内，可以说明数值仿真模型的准确性。图 仿真结果与实验结果曲线表 数值仿真与实验结果碰撞峰值力 碰撞总时间 实验结果 仿真结果 误差 冲击实验为瞬间动态过程，通过查看仿真模型的变形与损伤情况分析层合板的冲击损伤行为与吸能特性。计算结束后将模型导入到后处理软件 -中并将其沿中间切开以便观察层合板内部界面损伤情况，层合板在冲击过程中整体米塞斯应力分布情况如图 所示。图 纤维金属层板冲击过程示意图通过图 可知，在冲击过程初始阶段，应力主要集中在层合板四周约束区域，随着冲击过程继续进行，应力逐渐向中心扩散。当碰撞时刻约为 时层合板整体所受应力最大，通过与图 对比发现，此时碰撞力达到最大值。通过观察截面变形情况发现在整个冲击过程中层合板内部未发生分层损伤。查看每一层材料的应力分布情况发现复合材料存在基体压缩与纤维拉伸失效损伤，冲击结束后应力主要集中在受冲击区域，与冲击器边缘接触的部分所受应力最大，如图 所示。图 冲击后纤维金属层板正面应力分布 多目标优化 优化问题定义在低速冲击过程中，纤维金属层板主要通过铝板的塑性变形、复合材料脆性断裂、层间分层等多种失效模式来吸收冲击能量。每层材料的厚度对其抗冲击性能具有很大影响。如图 所示，以 正交铺层结构的热塑性纤维金属层板为例，铝板厚度分别为、，第一层与第二层铝板之间铺设 层复合材料预浸料，第二层与第三层铝板之间铺设 层复合材料预浸料。以铝板厚度与复合材料铺层层数 个量为设计变量，以碰撞峰值力 、等厚度吸能量 和层合板质量 为目标函数，定义纤维金属层板的多目标优化设计问题。图 纤维金属层板冲击示意图亓昌，等：热塑性纤维金属层板抗冲击性能研究与优化 优化设计过程与结果针对设计变量，运用最优拉丁超立方试验设计方法随机选取 组样本点，通过 -对 种不同结构的纤维金属层板进行计算，获取相应的响应值并建立 代理模型。选用 个样本点对 代理模型的精确度进行检验，按照式（）计算代理模型的误差方根，越接近于 ，表明建立的代理模型准确度越高，设定大于 表示代理模型可靠 。如图 所示，依次是层合板质量、碰撞峰值力 、等厚度吸能量 ，各目标函数 值如表 所示，值均大于 ，说明建立的 代理模型准确可靠。采用 -算法进行优化求解，得到如式（）所示的多目标优化问题的 解集，示意图如图 所示。（?）（?）（）式中：?为样本平均值。图 代理模型误差分析表 目标函数 值目标函数层合板质量 碰撞峰值力 等厚度吸能量 （，）（，）（，），|（）图 前沿解集选用图 中 点位置优化数据结果建立有限元模型，通过有限元仿真计算分别得到层合板质量、碰撞峰值力 、等厚度吸能量 ，如表 所示。经过对比发现优化数据预测结果与数值仿真计算结果误差控制在 以内，进一步验证了代理模型的准确性。将此优化结果与落锤低速冲击实验中层合板响应进行对比，如表 所示。通过对比发现，优化后层合板整体质量减轻 .，碰撞峰值力下降 ，同时单位厚度吸能量约为原来的 倍，单纯增加铺层厚度并不能有效提升层合板的抗冲击性能。表 优化数据结果与仿真结果响应值层合板质量 碰撞峰值力 等厚度吸能量 仿真结果 优化结果 误差 表 层合板低速冲击性能评价指标层合板质量 碰撞峰值力 等厚度吸能量 优化前 优化后 多目标优化问题中目标函数往往相互矛盾，不存在全局唯一最优解，而是存在一个最优解集 。选取图 中 、个点的优化数据，如表 所示。从表中可以看出，点位置层合板总体质量最小，等厚度吸能量最大，碰撞峰值力较大；点位置能够有效降低层合板碰撞峰值力，但层合板整体厚度增加，使得质量与等厚度吸能量指标大幅度降低。在实际工程应用中，设计者应该根据结构的应用场景与特定工况考虑不同目标函数的权重，进而选择最优设计。表 优化结果最优解 结论）正交铺层结构热塑性纤维金属层板在落锤低速冲击实验中主要通过铝板塑性变形、基体压缩与纤维拉