【技術實現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術屬于復合材料成型領域，涉及一種連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試裝置與方法。
技術介紹
1、輕量化設計是提升新能源汽車與傳統(tǒng)燃油汽車續(xù)航里程以及降低能源消耗的有效途徑之一。輕質(zhì)材料則是支撐汽車輕量化發(fā)展的基石，在眾多輕質(zhì)材料中，復合材料具有化學性能穩(wěn)定、力學性能優(yōu)異、減重效果卓越等優(yōu)點，隨著國產(chǎn)復合材料力學性能的不斷提升以及原材料成本的持續(xù)下降，先進、高強以及低成本的復合材料開始被應用于汽車和軌道列車等陸地交通工具，尤其是在電動汽車車身零部件的制造上。當前傳統(tǒng)金屬材料已經(jīng)難以滿足日益增長的汽車輕量化需求，特別是在電動汽車車身零部件的設計和制造上。通過將傳統(tǒng)金屬車身材料逐步替換為輕質(zhì)復合材料或?qū)⒍呋旌鲜褂茫梢燥@著提升整車與零部件的輕量化效果及綜合性能。例如，復合材料在電動汽車的車身面板、車門、引擎蓋和車頂?shù)攘悴考械膽茫粌H減輕了重量，還提高了結(jié)構強度和抗沖擊性能。根據(jù)纖維增強體長度不同，樹脂基復合材料可以分為短切纖維/長纖維/連續(xù)纖維增強復合材料，相比之下，連續(xù)纖維增強復合材料具有更高的力學性能和良好的可成形性能，可被用于汽車內(nèi)外覆蓋件、次承力構件以及主承力構件的制作。連續(xù)纖維增強復合材料通過模壓工藝可以快速成形為具有復雜輪廓的汽車零部件，具有生產(chǎn)效率高，一體化程度高等優(yōu)點。
2、然而，當前國內(nèi)外關于連續(xù)纖維增強復合材料成形失效機理的研究還不夠全面，行業(yè)內(nèi)依然缺乏可靠的成形極限評價準則，阻礙了連續(xù)纖維增強復合材料汽車零部件工藝方案的制定與優(yōu)化，嚴重制約了其在汽車領域的進一步推廣及應用。因此，對于電動
3、在實際電動汽車車身零部件的成形過程中，不合理的工藝方案、鋪層角度或者模具設計都可能導致連續(xù)纖維增強復合材料在成形中出現(xiàn)起皺、分層或破裂等缺陷，特別是對于復雜曲面的電動汽車車身零部件，如車身面板、車門、引擎蓋等，破裂缺陷是最為常見也是最為致命的失效模式之一，這種缺陷不僅會嚴重降低產(chǎn)品表面的成形質(zhì)量，還將嚴重損害零部件的服役性能，針對破裂成形缺陷構建可靠的評價準則對于提升連續(xù)纖維增強復合材料產(chǎn)品的成形性能至關重要。成形極限圖根據(jù)主應變和次應變的分布來表征薄板材料的可成形特性，成形極限圖中由上包絡線所構成的成形極限曲線反映了板料在失效前一刻的極限應變狀態(tài)，成形極限圖能夠可靠地表征金屬薄板材料的沖壓成形性能，并被廣泛應用于汽車工業(yè)領域，包括電動汽車車身零部件的制造。然而，連續(xù)纖維增強復合材料由樹脂基體和纖維組成，具有明顯的各向異性力學特性以及多尺度結(jié)構特征，連續(xù)纖維增強復合材料在熱模壓成形過程中纖維紗線與樹脂基體的變形過程與金屬薄板材料的流動過程完全不同，傳統(tǒng)金屬薄板材料成形極限圖與成形極限曲線的構建方法不再適用于連續(xù)纖維增強復合材料，亟需開發(fā)一種新型的連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試裝置與方法。
4、由于纖維材料彎曲剛度極小，為避免連續(xù)纖維增強復合材料在模壓成型過程中出現(xiàn)壓縮彎曲變形，通常采用彈簧組件和壓邊圈組件對其施加一定的水平預張緊力，誘導纖維紗線發(fā)生剪切變形從而避免起皺缺陷產(chǎn)生，需要注意的是，纖維紗線在剪切變形過程中同樣承受拉伸載荷，而纖維紗線的拉伸斷裂應變遠小于樹脂基體，纖維紗線的斷裂失效將直接導致產(chǎn)品出現(xiàn)破裂缺陷，基于此，可將纖維極限應變作為連續(xù)纖維增強復合材料的成形極限評價指標。另外，傳統(tǒng)成形極限圖的構建方法對于應變路徑具有較強依賴性，為此，通過將主次應變比(即次應變/主應變)引入成形極限圖可有效消除應變路徑影響。還有，由于纖維具有連續(xù)性特點，傳統(tǒng)沙漏型金屬薄板脹形試樣加工方法會造成連續(xù)纖維斷裂，進而無法準確獲得脹形試驗中連續(xù)纖維紗線的真實極限應變，采用開槽型試樣設計方法則能夠保障纖維連續(xù)性，并且通過改變槽口的尺寸大小，能夠通過脹形試驗獲得多種不同變形模式下的纖維極限應變，進而完整地構建連續(xù)纖維復合材料成形極限圖。
技術實現(xiàn)思路
1、針對上述技術問題，本專利技術提出了一種連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試裝置與方法，通過設計一系列具有不同尺寸的開槽型連續(xù)纖維增強復合材料試樣，對其分別開展高溫半球脹形試驗，采用非接觸光學測量系統(tǒng)記錄試樣表面主應變與次應變的演化過程，利用坐標轉(zhuǎn)換方法獲得纖維極限應變，根據(jù)主次應變比和纖維極限應變繪制連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限圖及成形極限曲線。本專利技術既適用于連續(xù)纖維增強熱固性復合材料，也適用于連續(xù)纖維增強熱塑性復合材料，脹形裝置具有加工簡單，易于組裝，操作便捷，成本較低等優(yōu)勢。
2、具體技術方案為：
3、連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試裝置，包括底座、立柱、支撐板、夾緊機構和半球形沖頭；
4、所述的底座與支撐板通過立柱連接；夾緊機構安裝在支撐板上，半球形沖頭位于夾緊機構上方；
5、夾緊機構包括上壓邊圈和下壓邊圈，上壓邊圈和下壓邊圈位置上下相對，試件夾持在上壓邊圈和下壓邊圈之間，上壓邊圈和下壓邊圈通過螺栓固定在支撐板上；上壓邊圈和下壓邊圈相對的一側(cè)分別設有加熱裝置；
6、所述的半球形沖頭內(nèi)也設有加熱裝置；
7、上壓邊圈和下壓邊圈與半球形沖頭相對的位置開設有孔，孔的內(nèi)壁設有壓邊筋；
8、在支撐板對應半球形沖頭的位置設有圓孔，圓孔的正下方放置兩臺ccd數(shù)碼相機，用于實時跟蹤試件表面位移，并通過dic-3d三維數(shù)字圖像相關系統(tǒng)對實時應變進行分析。
9、進一步的，所述的下壓邊圈孔的內(nèi)壁設有雙壓邊筋，壓邊筋過渡區(qū)域設為倒角。
10、具體的，所述的加熱裝置包括加熱管和熱電偶。
11、連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試方法，包括以下步驟：
12、首先，將下壓邊圈通過螺栓固定在支撐板上，在其正上方放置上壓邊圈，打開試驗機配備的電腦主機；打開試驗機電源鍵；在室溫條件下將試件放入上壓邊圈、下壓邊圈之間，通過加熱裝置進行熱傳導待溫度達到預定數(shù)值后再進行壓制；
13、安裝半球形沖頭；調(diào)整ccd數(shù)碼相機拍攝角度，設置拍攝參數(shù)和光線強度；安裝好試件后鎖緊螺栓，將球頭對中；進行dic預拍照和計算，確保散斑能夠有效計算；緩慢移動半球形沖頭至試件表面，輕微接觸后將載荷和位移清零，準備開始進行試驗；開始試驗時拍攝圖像；半球形沖頭緊貼連續(xù)纖維復合材料試件以恒定速度向下運動，試件可變形區(qū)域發(fā)生纖維紗線拉伸及剪切大變形，直至試件發(fā)生破裂后終止試驗。
14、本專利技術壓邊圈采用上、下雙壓邊圈的設計，其中壓邊圈部件含有壓邊筋，由于纖維紗線的彎曲剛度極小，對于連續(xù)纖維增強復合材料的復雜試件而言，成型過程中為了避免纖維紗線受壓引發(fā)起皺缺陷，需要在試件周邊施加一定的壓邊力誘導纖維紗線發(fā)生剪切變形，從而使其在沖壓過程中順利貼合半球形沖頭表面，避免纖維紗線起皺變形并提高產(chǎn)品的成形質(zhì)量。加熱裝置包括壓邊圈、半球形沖頭內(nèi)設置的加熱管和熱電偶以及與之相連的溫控器，可以使其加熱至試驗預設溫度。應變測量系統(tǒng)包括兩臺ccd數(shù)碼相機、本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術保護點】
1.連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試方法，采用連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試裝置；包括底座(6)、立柱(5)、支撐板(7)、夾緊機構和半球形沖頭(1)；
【技術特征摘要】
1.連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限測試方法，采用連續(xù)纖維增強復合材料高溫成形極限...
【專利技術屬性】
技術研發(fā)人員：王振，苗馨月，劉慶豪，朱國華，
申請(專利權)人：長安大學，
類型：發(fā)明
國別省市：
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