【重磅】具有A级表面的热塑性复合材料成形仿真的模拟方法

2018-7-13 20:55 695 0 来自: springer 汽车轻量化在线翻译整理
简介
纤维和纺织增强热塑性塑料为工程师们进行商业上可行的轻量化设计提供了一组高性能材料。 然而,由于材料的异质性,部件表面上的增强纤维会不可避免地暴露出来,这使得它们在外皮应用中的使用受到限制。 德国Leichtba ...

纤维和纺织增强热塑性塑料为工程师们进行商业上可行的轻量化设计提供了一组高性能材料。 然而,由于材料的异质性,部件表面上的增强纤维会不可避免地暴露出来,这使得它们在外皮应用中的使用受到限制。 德国Leichtbauzentrum Sachsen机构使用适当的模拟方法来识别和鉴定造成影响的技术因素,以获得与钣金零件相当的表面质量。

模拟的表面值

使用常规结构的金属板会导致较高制造成本,这使得纤维复合材料成为一种明智的选择。除了已经开发的具有热固性聚合物基质的纤维复合材料部件外,汽车开发商正将其焦点转移到能够降低生产时间(将生产时间作为相关的成本因素)的热塑性基体系统。纤维增强热塑性塑料在轻量化设计中也具有重要的作用。

市场上可获得的大量半成品纤维产品和基质,以及纤维层组成的无限可能性产品。由于时间和成本的原因,不可能进行纯粹的实验性开发。因此,结合适当的模拟和评估策略,彻底了解材料的机械和技术关系是非常必要的。

与尺度无关的模拟过程可以与有限数量的输入变量结合使用,以确定相关的材料特性和制造边界条件,并且提供可比较的表面特征,这些表面特征是使用微波扫描测量方法再现的长波光学印象。

为了评估视觉外观,除了允许根据现代混合规则预先选择材料的相关因素外, 使用特定于问题的代表性体积元素(RVE)和生成组件表面的位移字段,数值模型可以量化基于织物的结构对刚度和稳定性的影响。

基于工业中使用的波扫描表面分析方法来实验评估表面质量,使用傅立叶变换和随后的带通滤波的分析算法为A类评估提供了必要的可再现统计指标,该评估实现复合结构中产生的波纹层的可视化,图1。

Figure 1

Fabric reinforcements stand out on the surface (left) and typical surface profile (right) (© LZS)

对表面质量的感知

为了评估所有可能的表面变化,对基于眼睛形态现实的可识别结构以及使用模式识别过程在大脑中处理它们的方式,两者之间关系的更深刻地理解是必要的。除了纯粹的主观感受,有许多可以使用的测量方法,这些方法可以确定客观和可再现的表面特征,然后允许对主观动机阈值(如A类)进行分类。

例如在观看距离4米处,特定的视网膜上的平均受体间距和眼睛晶状体上的点光源的衍射图案,人眼的光学分辨能力容易识别的间距为1.2mm的图案。波长的这个下限对于织物结构是不利的,因为它们的尺寸在纤维束的典型范围内。

使用激光扫描表面的非破坏性光学测量方法需要大量的平行线性扫描来完全扫描整个表面,这使得它成为一个耗时的过程。

波扫描散射光方法测量并统计分析反射光束的强度,以提供与表面的波纹或粗糙度相关的无量纲指示器。 1.2 mm和12 mm之间的所谓长波(LW)对于评估表面质量特别重要。

所有测量方法的结果高度依赖于测量位置,即平行于或垂直于光纤图案的评估路径的选择。 这也可以在测量的有限再现性中看出,具有高达30%的相对大的波动。

与比例无关的建模

为了模拟使用压制方法生产的织物增强热塑性复合材料的收缩特性,必须提供复杂的建模策略和计算模型,以尽可能精确地提供增强结构的几何形状以及材料的物理非线性行为。微尺度上的虚拟表征用于以RVE的形式构建细观模型,其根据矩阵和织物结构的实际分布来映射矩阵和织物结构的区域。

有几种方法可用于RVE对不同织物化合物的离散化。 通常可用的软件解决方案(如TexGen)可用于生成体素模型、四面体网络或所谓的干纤维网络形式的有限元网络,如图2.后者 - 使用创新的E-REC(增强的代表性嵌入式元件) - 在评估强度行为方面提供特别的优势,因为稍微变形的元素与高水平的离散化质量是相结合。

Figure 2

Comparison of the network quality of the voxel method (left), tetrahedral network (centre) and E-REC method (right); matrix area (yellow) partially hidden (© LZS)

已证明使用周期性边界条件对于收缩行为的计算是不必要的,但对于建模稳定性和刚度行为是必不可少的。

在选择温度边界条件时,假设形状赋予过程不再依赖于从某个材料相关温度形成压力。从该时间点开始,由该方法引起的压缩应力小于热塑性材料的屈服点,这意味着收缩差异不再能够通过在基质中屈服来补偿,导致在表面上形成局部收缩痕迹。

符合线性弹性理论的配方足以进行收缩行为的基本模拟。此外,为了计算压力模式和温度分布等过程影响,有必要利用流动塑性理论的配方。

评估方法

需要一种合适的方法来评估织物增强热塑性复合材料中计算的表面波纹,可用于确定基于工程的评估的可比参数。 为此,开发了一种使用快速傅里叶变换(FFT)和数字滤波的线性路径评估方法,并通过区域评估方法对其进行了增强,以便可视化负责波纹的结构。

评估的出发点是经线和纬线中的特征路径,从该路径读取贯穿厚度方向上的交叉点的偏移。 选择特征路径的方式包括最大和最小偏移点,图3。

Figure 3

Comparison of the profiles from the finite element method (FEM) and laser profilometer measurement as proof of the suitability of selected boundary conditions (© LZS)

与有限元(FE)计算一样,激光轮廓仪提供沿测量路径的实际表面的高程轮廓,图3,这意味着实验证明激光轮廓仪数据的标准偏差与LW值之间的关系也可以是 假设与计算值的标准偏差。 使用具有不同层压结构的特殊制备的样品板以及波扫描测量值与计算的波纹的比较来证明该方法的实际适用性。 这里的平均差异仅为5%左右。

除了长波的无量纲参数外,波谱还显示了波强与波长之间的关系。 这允许对引起长波的层进行推断。由于评估方法基于傅立叶变换,因此不能在波长范围内进行均匀呈现。 等距分布的频率导致测量的波长的长度因子是整数。 由于这些在短波范围内可以忽略不计,因此缺少关于以几个纤维束宽度的规模铺设的织物结构的信息。

可变评估窗口可用于生成采样长度,其整数因子覆盖所讨论的波长范围,并提供更精细的波谱图,如图4所示,将波长分配给有可能几何形状。

Figure 4

Comparison of the wave spectrum with (front) and without (back) a variable window width for a test specimen (© LZS)

现在可以使用明确定义的干扰信号的波范围来导出用于带通滤波的滤波器宽度。 当与图像处理软件结合使用时,这些可以使波纹结构可视化,如图5。最简单的方法是分解表面移位和线轮廓,并使用熟悉的信号滤波工具。 通过二维傅里叶变换提供了更加精准的处理方法,结果表示分配给波长的傅里叶系数取决于它们在评估区域中的方向。

Figure 5

Grey-value images of band-pass filtered surface profiles based on 2-D Fourier transformation: entire elevation profile (left), broadband-pass filtered (centre), narrow-band-pass filtered to discrete wave length (right) (© LZS)

使用了开发的数值模拟和评估方法进行综合参数研究。综合参数研究涉及了解材料,几何和工艺特定设计变量,及变量对使用压制方法生产的织物增强热塑性复合材料内部应力引起的表面波纹的影响。

尤其是它证明了除了选择适合的材料组合之外,通过特定使用缓冲层的逐渐分层可以显着减少表面波纹。

获得的关于技术依赖性的知识为优化具有A级表面质量外皮应用的织物增强热塑性复合材料的分层提供了坚实的基础。 相反,波纹关系的知识也可以使用波纹产生类似高尔夫的减阻表面。

来源:springer

作者:DR.ING. ANDREAS FREUND

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