【摘 要】
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新型轻质材料的使用成为汽车行业应对能源短缺及环境污染问题的一项关键技术。本文提出将汽车行业中常用的两种轻量化材料高强度钢板(High Strength Steel,简称HSS)与碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,简称CFRP)结合以获得综合性能更加优异的Steel/CFRP层合材料车体构件。目前,关于单一金属板料的冲压回弹问题已经进行了大量研究,而
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新型轻质材料的使用成为汽车行业应对能源短缺及环境污染问题的一项关键技术。本文提出将汽车行业中常用的两种轻量化材料高强度钢板(High Strength Steel,简称HSS)与碳纤维增强复合材料(Carbon Fibre Reinforced Polymer,简称CFRP)结合以获得综合性能更加优异的Steel/CFRP层合材料车体构件。目前,关于单一金属板料的冲压回弹问题已经进行了大量研究,而对纤维金属层合材料的回弹研究却很少见。因此本课题基于车身构件在冲压成形中常出现的回弹问题,对由钢板与碳纤维增强复合材料交替铺设而成的Steel/CFRP层合材料进行温热弯曲成形实验,研究成形后弯曲构件的回弹行为,主要研究内容如下:(1)分析了单一金属板料、纤维金属层合材料弯曲成形及回弹理论;设计了Steel/CFRP层合材料弯曲成形实验研究方案,并基于成形要求、实验方案,自主开发了具有成形、加热、温控、凸模可换等功能特点的弯曲成形模具;利用所设计模具完成了纯钢板、纯碳纤维增强复合材料及Steel/CFRP层合材料的U型弯曲实验;(2)对纤维方向、CFRP层数、凸模圆角半径影响的Steel/CFRP层合材料U型件弯曲回弹进行了定量比较及定性分析,探究了上述各因素对Steel/CFRP层合材料U型件弯曲回弹的影响规律及影响机理,结果表明:可以通过增加[0°]纤维方向的CFRP层数,增加CFRP总层数及采用合适的凸模圆角半径成形出较高形状精度和成形质量的Steel/CFRP层合材料U型件;(3)比较了纯碳纤维增强复合材料弯曲件、Steel/CFRP层合材料弯曲件的成形能力;描述了二者的成形特点以及Steel/CFRP层合材料弯曲件弯曲部位的界面结合状态,并分析了产生相关成形特点及界面结合状态的原因;(4)建立了Steel/CFRP层合材料本构关系模型,利用单向拉伸实验确定了模型参数及基本性能参数;在ABAQUS软件平台上,对弯曲成形及回弹过程进行了仿真模拟,将所得仿真回弹值与实验测量值比较发现:不同因素影响的仿真回弹值变化趋势与实验所得回弹值变化趋势具有较高的一致性;(5)基于板材弯曲回弹理论及相关合理假设,提出了Steel/CFRP层合材料弯曲回弹预测模型;结合实验所得回弹值,采用曲线拟合方法,确定了纤维方向、CFRP层数及凸模圆角半径影响的模型参数,建立了上述各因素影响的Steel/CFRP层合材料弯曲回弹预测模型;将预测模型计算值与实验所得回弹值进行比较,结果表明:所建预测模型具有较好的预测精度,预测值与实验值符合度在88%以上。
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