复合资料因为其微观构造的非匀称性以及杂乱的力学个性，使得其零部件安排难度大大增长。采用众标准领会的形式，遵循T300/Epoxy 斜纹机织复合资料细观几何参数，修设其单胞几何模子，引入周期性畛域前提对单胞构造举办有限元领会，进而预测复合资料层合板三维弹性功能参数，并通过力学试验证据试验结果和预测结果较为亲密；愚弄LS-Dyna 中的MAT_54修设复合资料渐进失效模子，通过三点弯曲试验结果调节模子参数，最终获得的复合资料渐进失效模子仿真结果与试验结果同等；将调节好的复合资料渐进失效模子操纵到电动车复合资料

摘要：复合资料因为其微观构造的非匀称性以及杂乱的力学个性，使得其零部件安排难度大大增长。采用众标准领会的形式，遵循T300/Epoxy 斜纹机织复合资料细观几何参数，修设其单胞几何模子，引入周期性畛域前提对单胞构造举办有限元领会，进而预测复合资料层合板三维弹性功能参数，并通过力学试验证据试验结果和预测结果较为亲密；愚弄LS-Dyna 中的MAT_54修设复合资料渐进失效模子，通过三点弯曲试验结果调节模子参数，最终获得的复合资料渐进失效模子仿真结果与试验结果同等；将调节好的复合资料渐进失效模子操纵到电动车复合资料车身骨架轻量化安排中，对复合资料骨架举办顶压仿真以及柱碰仿真领会。领会结果注明，复合资料车身骨架安排吻合准则请求，与铝合金骨架比拟，正在重量减轻59%的同时再现出更好的耐撞功能。

跟着能源题目对人们带来的影响日益加剧，电动车的发达受到了更为通常的合心。但因为其电池重量过重，使得电动车的有用载荷过低，续航里程较小。为认识决这一困难，能够通过轻量化技能，蕴涵新资料的操纵以及构造优化等，减轻电动车的重量，抵达低落能耗，降低续航里程的目标。由此可睹轻量化技能对电动车的发达旨趣强大。纤维巩固复合资料因为其较高的比强度、比刚度，正在电动车轻量化中倍受青睐。所以，对付复合资料汽车零部件及总成的安排与成立形式成为筹议的热门。国表里学者通过表面、试验以及数值模仿的形式对复合资料的力学功能举办了体系的筹议。MAMALIS 等针对复合资料薄壁管的耐撞性举办了体系的试验筹议。试验结果注明应变率、纤维铺层挨次、纤维体积分数以及管的壁厚对构造的耐撞功能起决议性影响。YANG 等对3D 编织复合资料方管的吸能个性举办了深远的筹议。NG 等用有限元法得回了机织复合资料二维本构模子，通过与试验比拟验证该模子的无误性。左中鹅等针对平纹织物层合板细观构造修设了代表性体积元(Representative elemental volume, RVE)有限元模子，预测该复合资料模量，并遵循失效原则对RVE 的强度举办预测。结果注明采用有限元预测的模量与现实值同等，单胞强度与现实强度吻合。DENG 等采用有限元数值仿真的形式对平纹玻璃纤维复合资料的弹性功能举办领会，所得预测结果与试验结果相吻合。OBRADOVIC 等愚弄商用有限元软件LS-DYNA 对机织碳纤维巩固复合资料举办修模，并将其使用到高速赛车的前端部件安排中。FEREBOLI 等愚弄LS-Dyna 中的MAT54 对复合资料波纹板有限元模子的修设举办了周到的先容，并对其轴向压溃举办数值仿真，终末与试验举办比拟。MAMALIS 等对机织复合资料方管修设渐进失效有限元模子，并对其举办轴向静态和动态领会。

因为复合资料卓异的力学功能以及轻量化的上风，很众汽车成立公司入手下手研发成立复合资料汽车零部件及总成。兰博基尼公司推出整个式复合资料车身，使得该车型与上一代全铝车身比拟减轻34kg。电动大巴成立公司正在前辈的车身成立工艺根源上，采用优化的形式得回了最佳复合资料车身构造，并使其重量抵达最轻。然而上述合于汽车复合资料零部件及总成的报道均为结论性综述，合于全部的汽车复合资料零部件及总成的安排及功能领会形式却鲜有报道。

本文旨正在筹议电动车复合资料车身的耐撞功能，通过与守旧金属车身比拟，进一步讲明复合资料车身的上风。本文基于众标准领会形式，针对斜纹机织碳纤维巩固复合资料的细观几何构造，修设RVE 模子，采用有限元领会形式，引入周期性畛域前提对层合板的弹性功能举办预测，通过力学试验对预测结果举办验证(微观标准)。愚弄商用有限元软件LS-DYNA 中的MAT_54 修设复合资料渐进失效模子，模仿复合资料试样三点弯曲工况，并通过试验结果调节仿真模子参数(介观标准)。终末，将过程验证的复合资料渐进失效模子使用到电动车车身骨架轻量化安排中，比通过数值仿真领会与铝合金车身骨架举办功能比拟(宏观标准)。

一切的机织物包罗横纵交织的经纱和纬纱，遵循构造的分别又能够分为平纹机织、斜纹机织以及缎纹。本文筹议的为T300 碳纤维/环氧树脂斜纹机织复合资料，如图1 所示；为了更好地描画其几何构造，取单胞ABCD，其构造参数如图2 所示，截面参数如图3 所示。个中，A-B 面为x=0 的平面，A-D 面为y=0 的平面。单胞模子ABCD 厚度倾向的中面为z=0 的平面。图2 中，hf 、hw差别为纬纱和经纱正在C-D面上的厚度值；hg为纬纱和经纱正在厚度倾向的隔绝；gw为经纱间的隔绝；gf 为纬纱的隔绝。aw和af 差别为经纱和纬纱的宽度。图3 中给出了A-D 截面的参数，个中弯曲位子(a1 − a5 )由以下方程确定。

通过显微镜对图2 中的几何参数举办丈量，并对得回的几何构造举办盘算推算获得纤维束中纤维体积分数Vfs，其结果如表1 所示。

纤维束是由纤维丝和树脂混淆而成，能够将其等效为横观各向同性资料，所以能够遵循混淆定律得出纤维束的等效弹性参数，如式(4)所示。

式中，E1 和E2 差别为碳纤维束轴向及横向弹性模量；Ef1、Ef2 为碳纤维丝轴向和横向的弹性模量，Vfs 为纤维束中碳纤维的体积分数，Em 为环氧树脂的弹性模量。Gf12 和Gf23 差别为碳纤维丝轴向及横向切变模量；G12、G23为碳纤维束轴向和横向的切变模量， Gm 为环氧树脂切变模量。μf12 为碳纤维束主泊松比，μm为环氧树脂泊松比。本文中斜纹机织复合资料所应用的T300 碳纤维和环氧树脂的弹性功能参数如表2 所示。

通过对单包模子几何参数的丈量，能够较为无误地修设斜纹机织复合资料的RVE 几何模子。选用四节点三维实体单位对RVE 几何模子举办网格划分，如图4、5 所示。个中，树脂资料的弹性参数如表2 所示，碳纤维束的弹性参数已通过表2 和式(4)盘算推算获得。

普通将复合资料层合板假设为正交各向异性资料，其本构相合如式(5)所示。通过对RVE 有限元模子施加6 种分别的载荷前提，破除各参数的耦合相合，求得层合板的弹性参数。各工况前提修树如表3 所示。

式中，σij和εij差别展现宏观的资料应力与应变张量；Ei、Gij 以及μij 差别展现层合板各倾向的拉伸模量、切变模量以及泊松比。·

以工况1，求解Ex为例。当单胞平面施加正向拉伸位移时，拘束单胞正在x=0 平面上节点的x 倾向的自正在度，对x=L 平面施加沿x 倾向的位移ΔL。因为单胞模子为复合资料层合板的一个别，为了保障单胞模子畛域处的变形相连和应力相连，对单胞有限元模子的残剩四个平面施加周期性畛域前提。通过仿真盘算推算能够得出拘束反力Fx，愚弄式(6)盘算推算出x=0 平面所受的应力

为了验证盘算推算结果的无误性，将对复合资料层合板举办单轴拉伸及面内剪切试验。单轴拉伸试验参照ASTM-D3039 举办， 面内剪切试验参照ASTM-3518 举办，如图6、7 所示。将层合板弹性参数的预测结果与试验结果比拟，如表4 所示，能够看出，盘算推算结果与试验结果很亲密，而且含有层合板厚度倾向的功能参数，讲明采用单胞有限元领会形式可能胜利预测出复合资料层合板弹性功能参数。所以，将微观标准领会中所预测的复合资料弹性参数使用到中标准领会中是可行的。

本节修设的复合资料模子是基于商用有限元软件LS-DYNA 中的MAT_054 模子， 它采用Chang-Chang 失效原则，而且只可操纵于壳单位。当一起铺层中的单位产生失效时，该单位被删除。此时，与被删除单位共节点的单位强度被设定的参数削弱。该模子须要输入单层板的资料参数，蕴涵密度、三个倾向的弹性模量和切变模量、横向及纵向的抗拉和抗压强度、面内剪切强度以及失效应变等。然而，以上资料参数的获取须要举办巨额及杂乱的试验，这并不适合安排低级阶段的领会。所以，本文愚弄微观标准领会中预测的复合资料弹性参数，进一步修设复合资料渐进失效模子，举办中标准功能领会。所应用的全部参数如表5 所示。

MAT_54 模子中还蕴涵其他参数，比方ALPH 和BETA，用于界说失效原则，BETA=0 时为最大应力原则，BETA=1 时为Hashin 原则；TFAIL用于界说单位删除的韶华步；SOFT 用于对压溃前端的强度举办折减，对轴向压溃仿真的结果有要紧影响；FBRT 用于界说基体压缩失效后纤维倾向抗压强度的折减系数；YCFAC 用于界说基体压缩失效后纤维倾向抗压强度的折减系数。这些参数都无法通过试验得回，只可通过与试验结果比拟来调节，直到仿真结果与试验结果吻合。为此， 参照ASTM-D790，对试样举办三点弯曲试验，样件尺寸为10 层，厚度2 mm，如图8 所示。根据此试验结果调节MAT_54 模子的相干参数。

图 9 为HyperMesh/LS-DYNA 中修设的复合资料三点弯曲数值模仿的有限元模子，试样采用1.5mm×1.5 mm 全积分壳单位举办离散。压头和支座用2 mm×2 mm 的壳单位离散，总共3 216 个单位。个中压头和支座采用刚体资料MAT_20，并拘束两个支座的一切自正在度。层合板与压头接触类型为“rigid_nodes_to_rigid_body”，通过界说载荷-穿透弧线驾驭节点所受的法向反力，这对仿真的不乱性起到枢纽影响。

三点弯曲试验中压头的速率为2 mm/min，为了缩短盘算推算韶华，数值仿线m/s。因为资料的输入参数都是正在准静态工况下得回的，所以加载速率的增长对仿真结果没有影响。对仿真模子参数众次调试，照旧得出与试验不相符的载荷-位移弧线。然而，通过增大资料失效应变即MAT_54 模子中的驾驭卡片DFAILT 和DFAILC 的值(图10)，获得的三点弯曲数值仿真载荷-位移弧线与试验结果较为亲密(图11)。从图11 可看出愚弄试验得回的应力应变弧线所获得的载荷-位移弧线与愚弄纠正后的应力应变弧线所获得的载荷-位移弧线的区别，显示出了失效应变对仿真结果的影响。

综上所述，复合资料试样三点弯曲工况的数值模仿结果与试验结果相吻合，讲明中标准领会中所修设的复合资料渐进失效模子是较为无误的，正在必然水准上可能模仿复合资料断裂失效活动。所以，能够将该渐进失效本构模子操纵于宏观标准的电动车复合资料车身耐撞功能领会。

与守旧汽车分别，新型电动车分为驱动模块、笼盖件模块以及驾驶舱爱戴模块。个中，驱动模块合键蕴涵电池、驱动体系、电控体系以及悬架体系等；笼盖件模块蕴涵门、发罩等笼盖件；驾驶舱爱戴模块是由高强度、轻质复合资料制成，正在受到撞击时可能爱戴驾驶员及搭客的平和。

该复合资料车身操纵所采用的临盆工艺与守旧的金属车身分别。新型复合资料车身的成立可采用树脂搬动技能先加工尺寸较小的零部件，再将其粘结成一个更大的组分，最终正在模具中连接成整个车身；这使得零部件的总数较守旧金属车身大为裁减。虽然目前复合资料本钱及其零部件成立工艺本钱较守旧金属资料而言还相对较高，然则因为其良好的力学功能及其正在轻量化方面的特别再现，使得复合资料正在汽车上的操纵成为一种必定的趋向。

本文所筹议的新型复合资料车身由斜纹机织复合资料，用三通、四通接头接连成的笼型构造，如图12 所示。下面将愚弄中标准领会中过程验证的MAT_54 复合资料渐进失效模子，对车身骨架的耐撞功能举办领会。

参考美国联邦汽车平和法式(FMVSS 216)举办顶压仿真领会，其目标是模仿翻车状况顶盖正在受到自重1.5 倍影响下，顶盖强度应能保障乘员的最小生活空间，请求顶盖变形小于127 mm。顶压仿线 所示。

盘算推算结果如图14 所示，从图14 能够看出，最大均匀应力为273.5 MPa，小于层合板抗拉强度1 020 MPa；图15 为刚性墙的接触力随位移改变弧线 可知当刚性墙接触力增大至1.5 倍自重(12.54 kN)时，刚性墙沿其法线mm，远小于准则请求的127 mm。

为了考核复合资料车身骨架的功能，遵循Euro NCAP 准则举办柱碰仿真领会。该测试的目标是正在柱碰流程中考核驾驶舱的变形以及对乘员头部的损伤。

采用 20 mm×20 mm 全积分壳单位对复合资料车身骨架举办离散，共29 975 个单位。正在LS-DYNA中的MAT_54 中将复合资料属性界说为10 层(沿厚度倾向积分点为10 个)，厚度为2 mm。将整车质地附加正在车身骨架下部，并将整车加快到29 km/h，使其与固定的直径为254 mm 的刚性圆柱撞击，撞击点x 倾向的坐标值与电动车H 点的x 倾向坐标值同等，如图16 所示。正在B 柱上选用15 个丈量点，考核其正在碰撞流程中的最大变形。

为了更好地反响出复合资料车身骨架的耐撞功能，还针对厚度为3 mm 的铝合金车身骨架举办领会，并与复合资料骨架功能举办比拟。两模子中，所选用的一致参考点正在碰撞流程中的最大变形值组成的弧线 可知，碰撞流程中铝合金骨架比复合资料骨架发生的变形大。个中，复合资料骨架的顶盖、窗框以及门槛处的最大变形差别为64.6 mm、128.4 mm、214.6 mm；而铝合金相应位子的最大变形差别为88.3 mm、203.6 mm、340.2 mm。图18 和图19 差别为复合资料车身骨架和铝合金车身骨架的最大变形图。由图18、19 可知，最大变形位于车身骨架下部与刚性柱邻接触的接头处。因为该位子与刚性柱直接接触，而且接头部位容易惹起应力蚁合，导致复合资料单位失效，从而使得该处的变形最大。经比拟领会注明，复合资料车身骨架较铝合金骨架正在重量减轻59%的同时，发现了更好的耐撞功能。

遵循斜纹机织复合资料细观几何构造，修设了其单胞模子，愚弄有限元的形式对复合资料层合板的三维弹性功能举办预测，并通过试验验证，证据了该预测形式较为无误。愚弄LS-DYNA 中的MAT_54 并连接层合板的功能参数，修设复合资料模子，参考三点弯曲试验结果对复合资料模子参数举办调节，最终获得无误的复合资料渐进失效模子。将调节好的复合资料渐进失效模子操纵到电动车骨架功能领会中。通过顶压仿真领会得出，加载流程中最大均匀应力远小于资料的抗拉强度，而且当接触力抵达1.5 倍自重时，刚性墙沿其出现倾向转移18.3 mm，知足准则请求。正在柱碰仿真领会流程中与铝合金骨架举办比拟，通过选用一致位子的丈量点的侵入量能够看出，复合资料骨架的侵入量小于铝合金骨架，而且复合资料车身骨架较铝合金骨架重量减轻59%。由此能够看出，众标准的领会形式，能够有用地操纵到电动车复合资料轻量化安排中。

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