[发明专利]长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法

摘要

本发明涉及属于汽车用复合材料研究领域，涉及一种长纤维增强复合热塑性复合材料能量吸收模型建立方法；包括以下步骤：1、建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型；2、研究落锤回弹时LFT平板能量吸收特性；3、对不同纤维质量分数不同厚度LFT平板进行非线性拟合，获得落锤临界穿透速度和最小穿透能量；4、建立能量吸收分析模型；5、验证能量吸收分析模型。本发明考虑复合材料应变率效应，拟合得到平板临界穿透速度和最小穿透能量；本发明以最小穿透能量为归一化参数建立表征冲击能量与吸收能量关系的分析模型，预测不同工况复合材料能量吸收量。

主权项

1.一种长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型；步骤二：研究落锤回弹时LFT平板能量吸收特性；步骤三：对不同纤维质量分数不同厚度LFT平板进行非线性拟合，获得落锤临界穿透速度和最小穿透能量；步骤四：建立能量吸收分析模型；步骤五：验证能量吸收分析模型；步骤一中所述的建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型，具体是指：选取平板厚度t和纤维质量分数ω作为在研究LFT平板落锤冲击能量吸收特性的主要材料参数；厚度包括m种、质量分数包括n种，把m种厚度和n种质量分数交叉组合建立m×n种形式LFT平板，每种LFT平板计算6种落锤冲击速度下的仿真模型，并保证2个模型中落锤发生了回弹，其余4个模型中落锤穿透了LFT平板；在落锤冲击的多尺度耦合有限元模型中，研究LFT平板在中等应变速率以内落锤冲击能量吸收能力的变化情况，将落锤初始冲击速度设置在中等应变速率，去掉重力场以忽略势能的变化；步骤二中所述的研究落锤回弹时，LFT平板能量吸收特性，包括以下步骤：(1)假设落锤在冲击LFT平板过程中，动能的变化完全是由材料失效所消耗的能量而引起的，无论在落锤回弹还是穿透LFT平板的工况下，落锤动能转化成的功就是平板吸收的能量；(2)按照质量分数分组，绘制落锤动能转化成的功与落锤初始冲击速度的曲线，分析落锤出现回弹和落锤穿透LFT平板时，所有厚度LFT平板所吸收消耗的能量和落锤初始冲击速度之间的关系；(3)参照复合材料层合板低速冲击特性研究中，复合材料层合板吸收能量和落锤冲击能量存在着幂函数关系，通过式(1)形式的幂函数对LFT平板落锤回弹时的数据进行非线性拟合，得出不同质量分数下拟合参数和拟合曲线：其中：W为落锤动能转化成的功，c和d为拟合参数，v0为落锤初始冲击速度；(4)根据拟合的曲线，求得在落锤回弹时LFT平板所吸收的能量，预测回弹落锤剩余的能量和速度；步骤三中所述对不同纤维质量分数、不同厚度LFT平板进行非线性拟合，获得落锤临界穿透速度和最小穿透能量，包括以下步骤：(1)利用线性拟合的方法将每种LFT平板穿透时吸收的能量进行处理，每条直线与非线性拟合的幂函数曲线有一个交点，该交点表示落锤以不同初始速度冲击LFT平板时，存在一个落锤冲击临界穿透速度vl，刚好使得落锤穿透LFT平板，如果初始速度小于vl，则落锤发生回弹；(2)将落锤初始速度在vl时，LFT平板吸收的能量定义为最小穿透能量，用Umin p表示；(3)利用方程(2)，对不同纤维质量分数下，不同厚度LFT平板被落锤冲击的初始速度和参与速度进行非线性拟合，来获得落锤冲击临界穿透速度vl，此外，定义当落锤回弹时，vr始终等于0；其中：vr表示穿透LFT平板后残余速度；k为拟合参数；v0表示落锤初始速度；vl表示落锤冲击临界穿透速度；(4)绘制不同纤维质量分数下，LFT平板被落锤穿透时，落锤参与速度和落锤初始冲击速度的拟合曲线，并得到落锤冲击临界穿透速度vl，拟合参数k，标准方差R2；(5)将拟合得到各种形式LFT平板被穿透的临界穿透速度，按式(3)进行计算，得到落锤临界穿透速度冲击时，LFT平板吸收的能量，即最小穿透能量Umin p：其中，mp表示落锤质量；Umin p表示最小穿透能量；vl表示落锤冲击临界穿透速度；步骤四中所述建立能量吸收分析模型，包括以下步骤：首先，对落锤冲击LFT平板回弹过程中，能量的耗散和转移进行分析和定义；其次，当落锤冲击能量为0，或者当穿透发生时材料LFT平板返回给落锤的弹性能Uel为0的前提下，针对具有应变率效应的LFT平板，建立弹性能量Uel、落锤冲击能量Uimp和最小穿透能量Umin p的函数关系式(4)：式中：指数α通过试验数据或仿真结果拟合而成；落锤冲击能量Uimp的研究范围是[0，Umin p]；再次，根据材料LFT平板吸收能量Uabs的定义，得到表示式如下：Uabs表示LFT平板吸收能量；最后，采用最小穿透能量Umin p对式(5)进行归一化的处理，得到式(6)：为了确定式(6)中指数α的值，将落锤回弹仿真模型，计算得到的落锤冲击能量和平板吸收能量，利用对应平板最小穿透能量，进行归一化处理，再根据式(6)进行非线性拟合，建立能量吸收分析模型；步骤五中所述验证能量吸收分析模型，是指：进行冲击特性试验，得到冲击之后穿透平板后残余速度和落锤初始冲击速度的曲线，在曲线上提取落锤初始冲击速度、落锤冲击能量和平板吸收能量，并根据最小穿透能量进行归一化处理；对计算得到的能量吸收系数与能量吸收分析模型预测值进行对比，并进行误差分析，验证能量吸收分析模型的正确性。