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基于渐进失效理论的碳纤维_泡沫夹芯设备舱底板强度仿真.pdf
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1、文章编号:1 0 0 2-7 6 0 2(2 0 2 3)0 5-0 0 1 9-0 8基于渐进失效理论的碳纤维/泡沫夹芯设备舱底板强度仿真赵致霆,石姗姗,吕航宇,陈 刚(大连交通大学 机车车辆工程学院,辽宁 大连 1 1 6 0 2 8)摘 要:设备舱底板在列车行驶过程中会受到气动载荷与石子冲击的影响,其强度直接影响到设备舱内的设备安全。文章基于渐进失效分析理论和刚度退化模型,在验证仿真建模的准确性后,建立了碳纤维/泡沫夹芯设备舱底板的静强度与低速冲击工况下的有限元模型。基于有限元模型分析了设备舱底板在5种静强度工况下的失效因子、应变和失效载荷,讨论了2 0 0 J、3 0 0 J、4 0
2、0 J、5 0 0 J的冲击能量以及1 0 0 mm、2 0 0 mm、3 0 0 mm的冲头直径对设备舱底板抗冲击性能的影响。结果表明,设备舱底板满足静强度要求,其失效载荷为6 3.0 k P a,最大失效因子及最大应变位置位于螺栓孔周围;冲击接触力峰值、上面板凹陷深度及各铺层的基体失效面积随冲击能量的增加而增大,而冲头直径的变化对设备舱底板的低速冲击性能影响较小。关键词:设备舱底板;复合材料;渐进失效;静强度;低速冲击中图分类号:U 2 7 0.3 2 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.1 0 0 2-7 6 0 2.2 0 2 3.0 5.0 0 4
3、收稿日期:2 0 2 2-0 2-1 8基金项目:国家自然科学基金面上项目(1 1 8 7 2 1 3 8);国家自然科学基金青年基金项目(1 1 7 0 2 0 4 8);辽宁省教育厅科学研究项目(J D L 2 0 2 0 0 2 1);大连市科技创新基金计划(2 0 1 9 R Q 0 4 5)第一作者:赵致霆(1 9 9 6-),女,硕士研究生。通信作者:石姗姗(1 9 8 6-),女,博士,副教授。S t r e n g t h S i m u l a t i o n o f C a r b o n F i b e r/F o a m S a n d w i c h E q u i
4、p m e n t C o m p a r t m e n t B a s e b o a r d B a s e d o n P r o g r e s s i v e F a i l u r e T h e o r yZ HAO Z h i t i n g,S H I S h a n s h a n,L YU H a n g y u,CHE N G a n g(C o l l e g e o f L o c o m o t i v e a n d R o l l i n g S t o c k E n g i n e e r i n g,D a l i a n J i a o t o n
5、g U n i v e r s i t y,D a l i a n 1 1 6 0 2 8,C h i n a)A b s t r a c t:S u b j e c t e d t o t h e a e r o d y n a m i c l o a d a n d s t o n e i m p a c t d u r i n g t r a i n r u n n i n g,t h e s t r e n g t h o f e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t b a s e b o a r d d i r e c t l y a f f
6、e c t s t h e s a f e t y o f i n t e r n a l e q u i p m e n t.B a s e d o n t h e p r o g r e s s i v e f a i l u r e t h e o r y a n d s t i f f n e s s d e g r a d a t i o n m o d e l,t h e f i n i t e e l e m e n t m o d e l s o f s t a t i c s t r e n g t h a n d l o w-s p e e d i m p a c t o
7、f c a r b o n f i b e r/f o a m s a n d w i c h e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t b a s e b o a r d a r e e s t a b l i s h e d a f t e r v e r i f y i n g t h e a c c u r a c y o f s i m u l a t i o n m o d e l i n g.I n a c c o r d a n c e w i t h t h e m o d e l,t h e f a i l u r e f a c t
8、o r,s t r a i n a n d f a i l u r e l o a d o f t h e b a s e b o a r d u n d e r f i v e s t a t i c s t r e n g t h c o n d i t i o n s a r e a n a l y z e d.T h e i m p a c t e n e r g y o f 2 0 0 J,3 0 0 J,4 0 0 J,5 0 0 J a n d t h e p u n c h d i a m e t e r s o f 1 0 0 mm,2 0 0 mm,3 0 0 mm o n
9、 t h e i m p a c t r e s i s t a n c e o f t h e b a s e b o a r d a r e d i s c u s s e d.T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e b a s e b o a r d m e e t s t h e s t a t i c s t r e n g t h r e q u i r e m e n t s,i t s f a i l u r e l o a d i s 6 3.0 k P a,a n d t h e m a x i m u m f a i l u r
10、 e f a c t o r a n d s t r a i n a r e l o c a t e d a r o u n d t h e b o l t h o l e;T h e p e a k v a l u e o f i m p a c t c o n t a c t f o r c e,t h e d e p r e s s i o n d e p t h o f t h e u p p e r p a n e l a n d t h e s u b s t r a t e f a i l u r e a r e a o f o f e a c h p l y i n c r e
11、 a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f i m p a c t e n e r g y,w h i l e t h e c h a n g e o f p u n c h d i a m e t e r h a s l i t t l e e f f e c t o n t h e l o w-s p e e d i m p a c t p e r f o r m a n c e o f t h e b a s e b o a r d.K e y w o r d s:e q u i p m e n t c o m p a r t m e n t b a
12、 s e b o a r d;c o m p o s i t e m a t e r i a l;p r o g r e s s i v e f a i l u r e;s t a t i c s t r e n g t h;l o w-s p e e d i m p a c t91 研究与设计铁道车辆 第6 1卷第5期2 0 2 3年1 0月 随着我国高速铁路的飞速发展,列车轻量化已成为现代车辆设计的必然要求。碳纤维复合材料因其比强度高、比模量高以及耐腐蚀、可设计性强等优点,已成为列车轻量化的必然趋势1。现阶段,复合材料在轨道交通中主要应用于转向架、车体、司机室外壳、车内饰等。动车组设备舱是
13、安装在列车底部用以保护车下设备、减小空气阻力的重要部件。王明猛等2和张丽荣等3证明了复合材料设备舱底板在高速动车组上应用的适用性。W A N G 等4为碳纤维应用到设备舱支架中提供了方案。董瑞雪等5基于渐进损伤理论提出了一种高速动车组复合材料设备舱结构强度仿真评价方法,并对某复合材料设备舱骨架进行了校核。W A N G 等6研究了不同加载速率对动车组C F R P设备舱骨架层板抗拉、抗压性能的影响。秦楠等7参考德国劳氏船级社(G L)规定的经验G o o d m a n曲线对某型动车组C F R P复合材料设备舱骨架进行了疲劳强度校核。然而在列车高速运行过程中,设备舱底板位于车辆最下方,直接受
14、到气密载荷、车辆振动载荷及轨道石子飞扬等冲击载荷的作用,是设备舱受载最大的部位。目前的研究多为复合材料设备舱骨架4-7与复合材料小型试件的性能8-9,关于复合材料设备舱底板的静态性能与抗冲击性能方面的研究较少。复合材料夹芯结构由上下面板和芯体组成,其中复合材料面板由正交各向异性的单层板在厚度方向上堆叠而成,其失效形式表现为逐层失效,每层碳纤维失效后结构刚度便会随之退化,复合材料的刚度退化与渐进损伤一直是研究的热点。田志强等1 0以碳纤维增强树脂基复合材料层合板为研究对象,给出了基体和纤维的细观失效准则,提出了新的刚度退化方式来表征复合材料层合板的损伤演化过程。X U 等1 1建立了纺织复合材料
15、静损伤的细观有限元模型,在渐进损伤建模的背景下,利用该模型分析了纤维间基体裂纹的萌生和纤维的断裂。MA I O 等1 2采用瞬态非线性有限元程序L S-D Y N A中的渐进损伤模型MA T 1 6 2对层合材料在低速冲击下产生的分层损伤特别是脱层的形状和方向进行了预测。赵丽滨等1 3得到了表征和评价分层失效机理和扩展行为的纤维桥接模型、静力分层扩展准则和疲劳分层模型。目前,在复合材料渐进损伤分析方面已有众多研究成果,但对于夹芯结构应用到动车组设备舱结构中的失效仿真分析研究仍较少。本文以碳纤维/泡沫夹芯设备舱底板为研究对象,基于渐进损伤失效理论和刚度退化模型分别建立了静强度工况和低速冲击工况下
16、的仿真模型。基于静强度有限元仿真模型,首先验证了渐进失效理论模型的正确性,然后在5种工况下进行加载并对结构强度进行了校核,进而分析了各铺层的失效因子、应变以及最危险工况下的失效载荷;在验证了模型正确性的基础上,基于低速冲击仿真模型,进一步研究了不同冲击能量和不同冲头直径对设备舱底板抗冲击性能的影响。1 复合材料渐进失效理论复合材料层合板由单层板组成,层合板结构的渐进失效是从单层板的失效开始的,其某一层或几层失效后并不完全丧失承载能力而是结构刚度减小,材料性能有所退化,只有当所有铺层均失效时,即认为层合板结构失效。在预测复合材料层合板失效的过程中,刚度退化和强度失效准则的选取尤为重要,刚度退化代
17、表层合板某一层破坏时结构刚度的退化系数,强度失效准则预测层合结构的失效状态,只有选取了准确的刚度退化模型和强度失效准则,才能精准模拟复合材料的渐进失效过程。1.1 刚度退化模型本文采用的刚度突降退化模型是文献1 4 在C a-m a n h o模型基础上,综合文献1 5 提出的一种合理的刚度退化准则,引入了主泊松比的退化方法,表达式如下。纤维拉伸失效:E 1=0.0 7E1,E 2=0.0 7E2G 1 2=0.0 7G1 2,1 2=0.0 71 2(1)纤维压缩失效:E 1=0.1 4E1,E 2=0.1 4E2G 1 2=0.1 4G1 2,1 2=0.1 41 2(2)基体拉伸失效:E
18、 2=0.2E2,G 1 2=0.2 2G1 2,1 2=0.1 51 2(3)基体压缩失效:E 2=0.4E2,G 1 2=0.4G1 2,1 2=0.1 51 2(4)式中:Ei,i j,Gi j为单层板的当前材料参数,E i,i j,G i j为单层板失效后退化的材料参数。1.2 强度失效准则复合材 料的失效准 则众多,有T a s i-H i l l准 则、H o f f m a n准则、T s a i-Wu准则和H a s h i n准则等1 6。其中,H a s h i n准则不仅考虑了各种失效模式之间的相互作用,还考虑了剪切强度对拉伸压缩的影响。本文采用H a s h i n准则
19、,H a s h i n准则二维表达式如下。纤维拉伸失效:1 1Xt 2+1 2S1 2 11 11 (5)纤维压缩失效:1 1Xc 211 10 (7)基体压缩失效:Yc2S2 3 2-1 2 2Yc+2 22S2 3 2+21 2S21 212 20 (8)式中:1 1,2 2为x、y方向的正应力;1 2为平面的应力;1 2为相应方向的剪应力;Xt,Xc为单层板的纵向拉伸强度和纵向压缩强度;Yt,Yc为单层板的横向拉伸强度和横向压缩强度;S1 2,S2 3为单层板相应方向上的剪切强度。2 复合材料设备舱底板静强度仿真2.1 渐进失效模型验证为了验证复合材料设备舱底板渐进失效模型的正确性,本
20、文建立了复合材料层合板渐进失效模型,并将模型计算结果与文献1 7 中的试验结果进行对比。根据文献1 7 拉伸载荷作用下的T 3 0 0/1 0 3 4-C开孔层合板渐进损伤分析试验,层合板的铺层顺序为0/(4 5)2/9 05s,材料参数见表1,试件长2 0 3.2 mm、宽2 5.4 mm、厚2.6 1 6 2 mm、中心圆孔直径6.3 5 mm。有限元模型采用四节点壳单元,单元类型为S 4 R,孔边单元数量为4 0 0,模型的单元数量为1 1 0 0。模型的边界条件设定为:层合板一侧完全固定,右侧端部采用MP C耦合约束,并施加沿x方向的拉伸位移载荷,开孔层合板有限元模型如图1所示。表1
21、T 3 0 0/1 0 3 4-C开孔层合板材料参数参数数值参数数值E1/G P a1 4 6.7 5 7Xt/G P a1.7 2 9E2/G P a1 1.3 6 9Xc/G P a1.3 7 8G1 2/G P a6.1 8 0Yt/G P a0.0 6 71 20.3Yc/G P a0.2 6 8S1 2/G P a0.1 3 4 注:E1、E2分别为x、y方向的弹性模量;G1 2为x y平面的剪切模量;1 2为x y平面的泊松比。图1 开孔层合板有限元模型利用A B AQU S/S t a n d a r d隐式分析模块对有限元模型进行计算。仿真得到的极限载荷为1 4 3 4 2.7
22、 N,文献1 7 中的试验数据为1 4 6 0 5.4 N,两者误差为1.8 0%。可见仿真结果与试验数据吻合良好,验证了渐进失效模型的有效性,可用于碳纤维/泡沫夹芯结构设备舱底板结构的静强度仿真。2.2 复合材料设备舱底板仿真模型碳纤维/泡沫夹芯设备舱底板结构来自文献3,几何尺寸如图2所示。上下面板采用T 7 0 0/8 9 1 1碳纤维/环氧树脂复合材料,中间芯体为P V C泡沫,孔边及四周区域(加强区)采用玻璃纤维/环氧树脂复合材料进行加强,下盖板中增加了少量凯夫拉纤维织物,使其具有优异的抗异物割划性能。P V C泡沫密度为6 5 k g/m3,弹性模量为7 5 MP a,泊松比为0.3
23、 2。T 7 0 0/8 9 1 1层合板材料参数如表2所示,设备舱底板铺层方式如表3所示6。表2 T 7 0 0/8 9 1 1层合板材料参数参数T 7 0 0/8 9 1 1单层板玻璃纤维/环氧树脂单层板参数T 7 0 0/8 9 1 1单层板玻璃纤维/环氧树脂单层板/(g/c m3)1.71.8Xt/M P a2 6 0 04 4 2E1/G P a1 3 52 3.1Xc/M P a1 4 2 23 7 7E2/G P a9.2 52 3.1Yt/M P a6 0.34 4 21 20.3 30.1 5Yc/M P a2 4 13 7 7G1 2/G P a5.6 54.0S1 2/M
24、 P a9 44 0 复合材料夹芯结构的设备舱底板有限元模型中P V C泡 沫 芯 体 采 用 六 面 体 实 体 单 元,单 元 类 型 为C 3 D 8 R。上下碳纤维面板采用四节点壳单元,单元类型为S 4 R。网 格 尺 寸 为1 0 mm,单 元 总 数 量 为2 0 9 9 5 1,其中,实体单元数量为1 4 9 9 6 5,壳单元数量为5 9 9 8 6。上下面板与中间芯体采用绑定连接。在螺栓孔处采用完全约束,限制其6个自由度。本文同时参考了I E C 6 1 3 7 3:2 0 1 0 铁道车辆设备冲击和振动试验标准 和E N 1 2 6 6 3:2 0 1 0 铁道应用 轨道车
25、身的结构要求,共确定5种工况,如表4所示。12 基于渐进失效理论的碳纤维/泡沫夹芯设备舱底板强度仿真 赵致霆,石姗姗,吕航宇,陈 刚表3 设备舱底板铺层方式组成结构铺层顺序厚度/mm上面板(0,9 0)c/(0,9 0)c/(4 5,-4 5)c1.0下面板(0,9 0)k/(0,9 0)c/(0,9 0)c/(4 5,-4 5)c(0,9 0)c/(4 5,-4 5)g c/(0,9 0)c3.0加强区(0,9 0)g/(4 5,-4 5)g1 51 5.0中间芯体1 5.0 注:(1)织物用圆括号“()”以及经纬纤维方向表示,经向纤维在前,纬向纤维在后;(2)纤维的种类用英文字母下角标出,
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