熱塑性聚烯烴類復(fù)合材料本構(gòu)建模與力學(xué)性能仿真.pdf

1、汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的主要措施之一，使用輕量化的工程塑料可以有效減輕汽車重量。為了進(jìn)一步擴(kuò)大工程塑料在汽車上的使用量，近年來開發(fā)了以聚丙烯PP(Polypropylene)為基體、彈性體和無機(jī)粒子等為添加相的三元共混材料，該共混物被稱為熱塑性聚烯烴TPO(Thermoplastic olefin)復(fù)合材料。TPO復(fù)合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐沖擊性以及高強(qiáng)度等優(yōu)異的力學(xué)性能，正向著服役條件比較苛刻的汽車構(gòu)件擴(kuò)展，成為汽車用工程塑

2、料的重要發(fā)展方向。為了理解復(fù)合材料力學(xué)性能與添加相和變形條件的耦合關(guān)系，達(dá)到材料組分的優(yōu)化設(shè)計(jì)，有必要開展TPO材料力學(xué)性能研究；同時(shí)數(shù)值仿真技術(shù)是部件服役性能評(píng)價(jià)和汽車安全性分析的主要方法，為此需要合適的材料力學(xué)本構(gòu)模型。目前，現(xiàn)有的復(fù)合材料本構(gòu)模型不能準(zhǔn)確描述該類TPO復(fù)合材料在大變形和高應(yīng)變速率條件下的各相耦合力學(xué)行為以及各相性能對(duì)復(fù)合材料綜合力學(xué)性能影響。因此，需要建立適用描述各種變形條件且能反映組分影響的TPO復(fù)合材料的力學(xué)本

3、構(gòu)模型。
　　 本文以車用新型TPO復(fù)合材料為研究對(duì)象，采用實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)值仿真相結(jié)合手段，對(duì)該TPO材料在大變形過程中的力學(xué)性能進(jìn)行了詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)揭示了變形條件和添加物含量對(duì)TPO材料力學(xué)性能的影響規(guī)律；采用細(xì)觀力學(xué)模型、分子網(wǎng)絡(luò)理論和切線模量計(jì)算方法，建立了TPO復(fù)合材料的大變形本構(gòu)模型，并通過用戶子程序把本構(gòu)模型嵌入ABAQUS/Explicit模塊中，為研究該TPO復(fù)合材料的虛擬碰撞變形提供仿真平臺(tái)。具體開展了以下幾個(gè)方

4、面的研究工作：
　　 (1)TPO復(fù)合材料力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究
　　 針對(duì)汽車用復(fù)合材料的應(yīng)用環(huán)境，對(duì)TPO復(fù)合材料和PP基體進(jìn)行了相關(guān)變形條件下的力學(xué)試驗(yàn)研究。通過低速拉伸試驗(yàn)研究了材料在不同變形條件下的靜態(tài)力學(xué)性能；通過動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)和高速拉伸試驗(yàn)研究了材料的動(dòng)態(tài)力學(xué)特征。揭示了該類TPO材料具有典型的線性彈性變形、屈服和非線性應(yīng)變硬化變形行為，并具有明顯的組分份數(shù)、應(yīng)變速率和溫度相關(guān)性。PP基體則表現(xiàn)出很強(qiáng)的脆性。實(shí)驗(yàn)結(jié)

5、果為理解TPO復(fù)合材料和基體的力學(xué)性能，以及為材料力學(xué)本構(gòu)建模提供了基礎(chǔ)。
　　 (2)TPO復(fù)合材料本構(gòu)建模和理論基礎(chǔ)研究
　　 在上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)上，對(duì)TPO復(fù)合材料大變形條件下的力學(xué)本構(gòu)模型進(jìn)行了建模研究。首先，分析了TPO類復(fù)合材料的變形機(jī)理。其次，通過分子鏈變形演變理論描述了基體變形行為，并通過彈性理論描述了添加相的變形行為。最后，通過細(xì)觀力學(xué)模型耦合各組分的力學(xué)行為，提出了具有明確物理意義的TPO復(fù)合材料本

6、構(gòu)模型，通過與實(shí)驗(yàn)對(duì)比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。該本構(gòu)模型能夠統(tǒng)一地表征出聚丙烯/彈性體/無機(jī)粉體類復(fù)合材料的大變形力學(xué)行為，具有一定的適用性，為描述該類材料的變形行為提供了理論基礎(chǔ)。
　　 (3)TPO復(fù)合材料變形仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
　　 通過材料用戶子程序開發(fā)，將提出的本構(gòu)模型嵌入有限元分析軟件ABAQUS/Explicit模塊中，建立了TPO復(fù)合材料動(dòng)態(tài)大變形數(shù)值仿真系統(tǒng)。以此為基礎(chǔ)，數(shù)值分析了TPO復(fù)合材料在多種變形

7、條件下的變形行為，得到了聚合物特有的頸縮與頸縮傳遞等變形特征。通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了該仿真方法的工程可靠性，該研究成果可為TPO材料產(chǎn)品設(shè)計(jì)和安全分析提供有效方法。
　　 (4)典型TPO復(fù)合材料構(gòu)件碰撞仿真研究
　　 采用建立的仿真方法，對(duì)三點(diǎn)彎曲變形進(jìn)行了數(shù)值仿真。與實(shí)驗(yàn)對(duì)比表明，建立的仿真系統(tǒng)可以預(yù)測(cè)不同變形狀態(tài)下TPO復(fù)合材料實(shí)際變形特征。同時(shí)，也開展了典型TPO復(fù)合材料構(gòu)件沖擊響應(yīng)與力學(xué)性能數(shù)值預(yù)測(cè)。清晰地

8、模擬了箱蓋的碰撞變形過程和不同沖擊速度、不同沖擊角度條件下的力學(xué)性能，為TPO吸能部件的汽車被動(dòng)安全模擬提供了可行的有限元工具和參考價(jià)值。
　　 本文在充分吸收和借鑒前人研究成果的基礎(chǔ)上，以實(shí)驗(yàn)和數(shù)值仿真的方法對(duì)TPO復(fù)合材料的力學(xué)性能進(jìn)行了深入探討，揭示了組分和變形條件對(duì)其變形過程力學(xué)性能的影響規(guī)律，提出了具有明確物理意義的本構(gòu)模型，建立了TPO復(fù)合材料大變形條件的數(shù)值仿真系統(tǒng)，對(duì)指導(dǎo)實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)和安全性分析，提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)效