汽車板簧復合材料彎曲應力下的模擬

于杰

摘要：隨著對輕量化的要求越來越高，復合材料逐漸被應用在各個領域當中。其中復合材料在汽車的板簧上的應用十分重要。汽車板簧作為輕量化結構汽車懸架系統中的基本彈性部件也是必需的?；旌蠈訅喊宓纳a是當前研究的主題。它們的材料性質在很大程度上取決于層的邊界層行為，層壓結構與相鄰的無關層壓層的相互作用。這些因素影響混合層壓結構中的板簧的動力傳遞機理。因此，本文用光學儀器以及有限元分析復合材料在彎曲應力下的位移狀態，從而為更好的應用在汽車板簧的材料選取中提供理論基礎。

關鍵詞：鋼;玻璃纖維增強塑料;復合材料

1? 三點彎曲試驗

三點彎曲測試包括將橫截面為矩形或圓形的樣品放在彎曲設備上，調整跨度并將樣品加載到彎曲測試上，直到達到指定的彎曲或斷裂程度?；诟鞣N實驗結果，我們假設彎曲變形之前平坦的梁的橫截面保持平坦并垂直于彎曲之后的梁的軸線，這是彎曲變形的平面假設。假設樣本包含大量縱向纖維：彎曲變形后，下表面附近的纖維伸長，上表面附近的纖維縮短。根據平面假說，纖維狀態沿著從下表面到上表面的橫截面高度從伸長到壓縮逐漸變化，使得中間的纖維層的長度必須保持不變。該層稱為中性層。

1.1 混合層壓板的應力狀態

混合層壓板由幾種復合材料組成，由于不同的組合，混合層壓板具有不同的應力狀態。本文的混合層壓板由鋼和玻璃增強纖維組成，因此層壓板的張力狀態受鋼含量和纖維位置的影響。

根據對稱性，假設材料是線性彈性的，則應力和應變在橫截面上對稱分布。在樣品的中間，出現張力和無應變的纖維（中性層）。當載荷應力分布在橫截面上時，最大的拉應力或壓應力始終出現在彎曲試樣的外緣纖維中。通過這種壓縮應力變形，試樣中只有單個對稱分布的層才能達到拉伸或壓縮應力。載荷對稱地分布在橫截面上，最大的拉應力和壓應力假定在樣品橫截面上呈線性。[1]

1.2 有限元模型分析（FEM-ABAQUS）

在纖維層中，纖維層壓體是正交各向異性材料。該模型的長度為240mm，寬度為30mm，高度為15mm[2]。層材料分布為：玻璃增強纖維，玻璃增強纖維，玻璃增強纖維，玻璃增強纖維，鋼，鋼，玻璃增強纖維，玻璃增強纖維，玻璃增強纖維，玻璃增強纖維。層壓板下移位移為3.2mm。

圖1：最大應力時的位移，樣品的四個位置沿Y軸的向下位移。X 0mm平面是樣品的中間位置，其他三個平面是沿X軸的正方向截取的。由于對稱原理，僅提取樣本中間和右側的數據。Y軸的原點是樣品的頂部。從圖片中可以看出，平面X+9mm，X+18mm和X+27mm在彎曲過程中線性變化，這表明材料在彎曲過程中線性變形。在樣品的中間位置（平面X 0mm），第八層的偏移略有減少，第九層的偏移略有增加，第十層的偏移迅速減小。事實證明，在第八到第十的中間位置試樣層在彎曲過程中首先發生形變，因此位移略微向上移動。然后，當發生彎曲時，它將繼續向下移動。

1.3 光學測量

本次試驗所用的光學儀器為3D測量儀器ARAMIS。ARAMIS是一種非接觸式光學3D測量系統。它可以/分析，計算和記錄測量對象的變形，運動和動態行為。系統自動確定隨時間變化的離散點的坐標。時間分辨率取決于使用頻率，可以根據需要設置?？梢允褂昧Ⅲw相機設置確定3D空間坐標，并在坐標中測量和計算測量對象。該軟件清楚地將攝像機圖像中的點分配給彼此。這些點是通過將組件與參考點粘合或通過在組件表面噴涂隨機圖案來建立的。3D坐標隨時間變化，因此可以計算位移，應變和其他相關數據，例如速度和加速度。

在試驗前需對樣品進行表面噴涂，為了使測量結果盡可能精確，需使噴涂表面滿足以下要求：

①表面圖案隨測量對象的變形而變化;

②測量對象上的圖案具有良好的對比度;

③表面沒有或只有輕微的反射;

④圖案足夠大，以便相機可以完全分辨出圖案。同時，樣本足夠小，因此存在用于評估的精細計算面網格;

⑤圖案是具有變化的灰度值的隨機結構，沒有大的斑點[3]。

樣本噴涂結束后使用Zwick Roell測試機和ARAMIS測量系統進行測量。ARAMIS系統用于確定應力分布以及對應位置的位移。樣品上的負載以及力和位移測量值的記錄均使用Zwick測試機進行。在開始測量之前，將測量每個噴涂的樣品并將其放置在傳感器距離中間的水平位置。試樣的中間位置位于橫桿上，以確保彎曲試驗的準確性。試驗過程中必須保證ARAMIS和Zwick必須同時啟動，以便他們可以衡量整個過程。彎曲過程結束后，必須及時結束測量，以免浪費時間并節省存儲空間。以1.6KN的力開始測量。

由于樣本位移僅為3.2mm，因此需要將設備與被測樣本間的距離減少，這將導致在彎曲過程中會使邊界模糊，并導致試驗過程中數據丟失。

從圖2：ARAMIS測量結果中可以看出，最大撓度約為3.3mm，位于樣本的中間。如曲線所示，撓度從中心向右減小。同時，顏色從紅色變為藍色。即，樣本中間位置受力最大，撓度最高，因此中間區域顯示的顏色也為紅色。該圖顯示了四個單獨部分從樣品頂部到底部的位移。黑色曲線（平面X+0）是樣品的中間位置。紅色曲線是從9 mm平面到中間位置向右的偏移，以此類推。由于樣本表面的噴涂點和相機之間的距離會在彎曲過程中發生變化，導致某些點不會被掃描到，因此會出現無法測量的點。

2? 試驗結果對比

3? 總結與展望

在這項工作中，模擬和分析了混合層壓板在彎曲應力下的一般和局部位移行為。為此，介紹了相關的理論知識。然后基于該理論知識進行建模。為了能夠對混合層壓板的彎曲做出完整的陳述并在理論和實踐之間進行比較，在ABAQUS中建立了數值模型，并使用ARAMIS進行了光學測試。該模型分為兩個部分。第一部分是FEM，通過它可以在彎曲過程中精確確定混合層壓板的位移和應力。第二部分是光學測量。也可以使用ARAMIS光學測量設備確定相應的應力和位移。

盡管創建并分析了模型，但是在某些方面可以改進模型。在FEM，可以進一步細分網絡。在每層之間添加膠水，然后再次選擇邊界條件。在光學測試中，外部因素的影響，例如，選擇一個更合適的特定測試，在噴涂過程中進行更精確的噴涂，并改善采樣點的質量。

參考文獻：

[1]Grellmann， W.; Seidler， S. Hrsg.： Kunststoffprüfung. Carl Hanser Verlag， München， 2015.

[2]DIN EN ISO 178 （2017-06）： Kunststoffe – Bestimmung der Biegeeigenschaften （Normentwurf）.

[3]GOM， Pr？覿zise industrielle 3D-Messtechnik， Erfassung Grundwissen， GOM Software 2017 - ARAMIS， Braunschweig， 2017.