《碳纖維複合板材超聲振動熱衝壓變形行為的研究》是依託西安交通大學,由張琦擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名:碳纖維複合板材超聲振動熱衝壓變形行為的研究
- 項目類別:面上項目
- 項目負責人:張琦
- 依託單位:西安交通大學
中文摘要,結題摘要,
中文摘要
汽車輕量化對碳纖維增強樹脂基複合材料製造的板材零件需求日益增加,現有的手工鋪層、熱壓罐、樹脂傳遞模塑成形等工藝方法耗時長、效率低、成本高,僅適用實驗室及小批量試製。本項目提出了適用於碳纖維增強樹脂基複合材料板材工業化批量生產的新工藝:將該板材在具有超聲振動的加熱模具作用下直接衝壓成形。本項目建立了碳纖維複合材料板材超聲振動熱衝壓力學模型,揭示了該新型板材熱衝壓成形的變形機理;獲得了超聲振動施加時振幅、頻率和溫度等因素對複合材料流動和接觸面摩擦的影響規律;研究了碳纖維增強樹脂基複合材料板材超聲振動熱衝壓時的細觀與巨觀力學行為;建立了該複合材料的多場耦合熱態衝壓過程模擬有限元模型,揭示了該複合材料板材本身纖維剪下角對其衝壓時起皺、破裂失效及工件機械性能的影響機制;開展複合材料板材的超聲振動熱彎曲和拉深實驗研究,獲得了工藝參數對其衝壓質量的影響規律與合理的工藝參數。
結題摘要
碳纖維複合材料(CFRP)具有密度低、比強度高、比模量大、抗疲勞及可設計性強等特點,是汽車結構輕量化的理想材料。然而傳統工藝的成形效率低、成本高、不適合大批量生產,限制其在汽車領域的大規模套用。本項目研究的碳纖維增強複合材料熱衝壓技術,是直接採用模具加熱板料並進行衝壓成形的新工藝方法,可完成複合材料殼體零件的一步成形,具有設備成本低、成形效率高、表面質量好、便於大批量生產等優點。本項目工作主要採用理論分析、有限元數值模擬和實驗研究相結合的方法開展進行。主要研究內容如下: (1)揭示碳纖維複合材料板的衝壓變形機制,建立了相關成形理論。通過對雙層碳纖維增強PC/ABS樹脂基複合材料板進行不同溫度的單向拉伸、斜拉伸以及摩擦試驗,得出了板料沿纖維方向0°及45°方向的力學性能,並研究了碳纖維複合材料超聲振動彎曲成形工藝。 (2)完成了對球形件和盒形件熱衝壓實驗裝置的研製,並開展了熱衝壓成形實驗。研究了成形溫度等主要工藝參數對成形質量的影響,確定出合理成形溫度區間為130℃-150℃。根據製件成形質量及內部缺陷檢測,探明了褶皺產生機理及成形極限。 (3)研製出一台可直接成形厚0.5-2mm和寬60-120mm試件的碳纖維複合材料紅外局部加熱輥彎成形樣機,並進行了有限元仿真與實驗研究,得出合理輥彎速度為4-8mm/s。 (4)研製出一條碳纖維複合材料汽車覆蓋件熱衝壓成形線,成功試製出了發動機罩等比例件(350mm×450mm),成形節拍<2分鐘。通過有限元模擬和實驗研究了溫度對成形件成形質量的影響規律。 本項目共發表論文9篇,其中SCI論文5篇(2篇已接收),授權發明專利6項,獲得新裝置2台,並開發出了成形生產線。以上研究工作可為複雜形狀碳纖維複合材料車身覆蓋件成形工藝方案的確定和成形質量的控制,提供必要的理論依據及方法支撐,有助於推動 CFRP 在我國汽車工業中的規模化套用、提高車輛輕量化和經濟性,具有重要學術意義和工程套用價值。