基于多尺度联合仿真的复合材料油底壳模态分析.pdf
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1、第 61 卷 第 10 期Vol.61 No.102023 年 10 月October 2023农业装备与车辆工程AGRICULTURAL EQUIPMENT&VEHICLE ENGINEERING0 引言纤维增强复合材料密度一般为0.832.20 g/cm3,复合材料在产品轻量化方面优势显著,在保证产品可靠性基础上,基于纤维增强复合材料注塑而成的塑料零部件与高强度钢及铝合金零部件相比,以塑代钢制品的质量预计可降低 50%以上,以塑代铝制品的质量可降低 40%以上;同时复合材料具有易成型、易集成、结构阻尼大等特点,能有效减少系统零部件数量,衰减振动噪声的传递1-2。纤维增强复合材料因基材内添加
2、玻璃纤维、碳纤维等增强体,材料本身具有各向异性的特点,在注塑零部件过程中纤维随熔料流动,由于其在零部件不同区域的分布方向和密度不同,导致零部件各区域可靠性能差异较大3。因此复合材料零部件可靠性分析需同时考虑材料非线性及注塑工艺,与常规金属材料零部件可靠性分析方法存在显著不同。目前国内外学者对复合材料性能及可靠性进行了大量研究。秦计生等4基于纤维的截面积角度测量方法,估计出试样截面内纤维的根数及每根纤维的截面积,验证了纤维方向与弹性模量的关系;刘颖等5基于 Digimat 软件研究了不同碳纤维含量的增强尼龙复合材料力学性能,得到 PA66CF10材料电池箱体较金属箱体质量轻 84%的结论;蔡力亚
3、等6进行了 15wt%含量玻纤增强 PET 材料注塑成型车身的刚度和模态分析;Kurkin 等7提出了一种短切纤维复合材料在航空领域结构件上强度和刚度多级建模预测方法;蔡连胜等8通过优化注塑浇口位置,验证不同玻纤分布方向对空滤器doi:10.3969/j.issn.1673-3142.2023.10.016基于多尺度联合仿真的复合材料油底壳模态分析高建红,刘伦伦,段良坤,曾超,孙志明(261061 山东省 潍坊市 潍柴动力股份有限公司 内燃机可靠性国家重点实验室)摘要 注塑成型复合材料零部件结构可靠性分析需耦合材料属性及制造工艺,与常规各向同性材料零部件分析方法存在很大差异。通过玻纤增强聚酰胺
4、 66(PA66+GF35%)复合材料应力-应变拉伸试验数据,逆向获得基材PA66 材料属性,并通过供方提供的模流分析结果,提取了油底壳纤维取向张量分布;然后基于多尺度联合仿真对某发动机复合材料油底壳进行了模态分析,并设计试验进行模态测试。结果显示,油底壳前 3 阶模态仿真与测试结果最大误差 8%,满足工程应用精度需求,验证了仿真方法的有效性,为塑料类复合材料零部件替代柴油机金属零部件提供了一种仿真验证方法。关键词 复合材料;多尺度分析;材料属性;模态 中图分类号 U464.13;TB33;TQ342 文献标志码 A 文章编号 1673-3142(2023)10-0075-04引用格式:高建红
5、,刘伦伦,段良坤,等.基于多尺度联合仿真的复合材料油底壳模态分析 J.农业装备与车辆工程,2023,61(10):75-78.Modal analysis of composite oil pan based on multi-scale co-simulation GAO Jianhong,LIU Lunlun,DUAN Liangkun,ZENG Chao,SUN Zhiming (State Key Laboratory of Engine Reliability,Weichai Power Co.,Ltd.,Weifang 261061,Shandong,China)Abstract
6、Structural reliability analysis approach of injection molded composite parts needs to couple with material properties and manufacturing process,which is quite different from conventional isotropic material parts.The tensile stress and strain experiment data of the glass fiber reinforced polyamide 66
7、(PA66+GF35%)was analyzed,the base material PA66 properties were reversed,and the oil pan fiber orientation tensor distribution was extracted based on mold flow analysis provided by supplier.Then the modal analysis for engine oil pan was carried out by the method of multi-scale analysis,and a modal t
8、esting program was designed.The results showed that the maximum error between the first three order modal simulation results and the test results was within 8%,which met the accuracy requirements of engineering applications and verified the effectiveness of the simulation method.It provides simulati
9、on verification means for the application of plastic composite parts instead of mental parts in diesel engine.Key words composite;multi-scale analysis;material property;modal;test收稿日期:2022-09-1376农业装备与车辆工程 2023 年本体固有频率影响。本文在借鉴国内外复合材料零部件性能研究的基础上,利用材料属性逆向方法,基于少量复合材料特定温度下实际拉伸性能实验数据,分别获取了复合材料基体和增强体材料属性。
10、采用多尺度联合仿真方法,将复合材料零部件注塑工艺、材料非线性耦合至结构性能分析中,实现了复合材料零部件模态指标高精度分析。1 仿真流程介绍基于某发动机复合材料油底壳开发项目,进行了材料本构+模流分析+结构有限元多尺度联合仿真方法研究,仿真流程如图 1 所示。主要思路是通过模流分析软件获取油底壳纤维取向张量分布,基于 Digimat 软件获取复合材料基体及增强体材料属性,并将模流分析获取的纤维取向张量映射到有限元网格,通过 ABAQUS 软件分别调用复合材料属性及纤维分布数据实现油底壳模态分析。利用该方法进行了新开发塑料油底壳模态仿真,如图 2 所示。前 3 阶模态频率仿真与测试结果误差均在 8
11、%以内,验证了仿真方法的有效性。2 多尺度联合仿真2.1 材料模型构建复合材料性能可由各组分材料的性能来预测,如纤维增强复合材料的刚度系数与纤维和基体的弹性常数及相对体积含量有关9:Cij=Fj(Ef,vf,cf,Em,vm,cm)(1)式中:Ef 各向同性纤维的弹性模量;vf 各向同性纤维泊松比;Em基体弹性模量;vm基体的泊松比;cf,cm纤维和机体相对体积含量,%。复合材料在制备过程中除基体和增强体外还会加入少量添加剂(如增塑剂、着色剂、稀释剂等)提高其实用性能,因此仅单独测试基体和增强体材料性能难以准确预测复合材料性能。Digimat-MX模块基于灰箱理论和反求工程,在已知复合材料试样
12、至少 2 个方向拉伸试验数据基础上,可逆向获取增强体外材料的属性10,拉伸试验方向参见图 3。本文选用的复合材料为 PA66+GF35%,在 23 下,0、45、90 方向注塑试样拉伸应力-应变试验结果如图 4 所示。基于 Digimat 软件 MX 模块等效体积单元法RVE(Representative Volume Element)进行材料参数拟合,选择 J2-Plasticity 弹塑性模型作为材料基础本构模型进行材料属性逆向求解,总体误差优化到 2%范围内结束迭代,逆向完成后材料属性如表 1 所示。表 1 2 种组分材料力学性能参数Tab.1 Material performance
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