本发明涉及属于汽车用复合材料研究领域的一种能量吸收模型建立方法，更确切地说，本发明涉及一种长纤维增强复合热塑性复合材料能量吸收模型建立方法。
背景技术：
：长纤维增强热塑性复合材料(LongFiberreinforcedThermoplastics，简称LFT)凭借其比刚度大和易于成型的优点，在汽车结构上得到了应用。尽管有限元模拟可以预测碰撞过程中的能量变化，但无法指导结构设计。复合材料冲击特性研究主要包括冲击结束后结构的残余承载能力和结构能量吸收能力。目前，学者针对穿透能量进行了研究。Caprinoet.al提出了一个经验关系，用一个唯一的指数函数描述层合板厚度、纤维体积分数和冲击头直径对穿透能量的影响。并且他还发展了用层合板穿透能量归一化的压痕深度和冲击能量的经验幂函数关系并利用Scarponiet.al的试验数据进行验证。D.GarciaGonzalez进行了短纤维增强复合材料冲击行为的试验和仿真研究，发现材料表现出脆性失效并统计了穿透能量。通常情况下能量吸收特性被描述为吸收与冲击能量的比。Aymerichet.al研究了碳纤维层合板的吸能特性，发现吸能-冲击能量图中可以看出三个不同阶段并伴随着轻微的斜率增长，并尝试评估材料损伤。但因为不同的层合板表现出不同的吸能能力，无法直接对比，为了克服这一限制Belingardi和Vadori定义了吸能对于冲击能量的比值分别作为层合板非弹性或者材料损伤程度的测量。进而Belingardi和Vadori改进了该方法，用一个比吸能量(单位体积)来描述损伤程度，这样就获得了不同厚度层合板有一个共同的对比基础，它们是相同材料体系组成的。作者发现用此方法分析时，不同厚度层合板测量的数据均落在一个窄的区域内。MarinoQuaresimin研究了层合板在低速冲击载荷下的冲击力学行为，考虑了铺层顺序和厚度的影响，提出了一个评价吸能能力的新方法，定义了一个适用于统计的冲击试验数据经验曲线，无论材料系统、厚度和铺层。然而上述大多部分研究均已层合板结构的复合材料为研究对象，而对LFT的研究较少。技术实现要素：本发明为了了解LFT在中等应变率下的能量吸收能力并进一步指导材料结构设计，利用多尺度仿真方法确定了LFT最小穿透能量这一评价材料吸能能力的重要参考指标，并以此提出了一种能量吸收分析模型建立方法。为解决上述技术问题，本发明是采用如下技术方案实现的：一种长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法，包括以下步骤：步骤一：建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型；步骤二：研究落锤回弹时LFT平板能量吸收特性；步骤三：对不同纤维质量分数不同厚度LFT平板进行非线性拟合，获得落锤临界穿透速度和最小穿透能量；步骤四：建立能量吸收分析模型；步骤五：验证能量吸收分析模型。步骤一中所述的建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型，具体是指：选取平板厚度t和纤维质量分数ω作为在研究LFT平板落锤冲击能量吸收特性的主要材料参数；厚度包括m种、质量分数包括n种，把m种厚度和n种质量分数交叉组合建立m×n种形式LFT平板，每种LFT平板计算6种落锤冲击速度下的仿真模型，并保证2个模型中落锤发生了回弹，其余4个模型中落锤穿透了LFT平板；在落锤冲击的多尺度耦合有限元模型中，研究LFT平板在中等应变速率以内落锤冲击能量吸收能力的变化情况，将落锤初始冲击速度设置在中等应变速率，去掉重力场以忽略势能的变化。步骤二中所述的研究落锤回弹时，LFT平板能量吸收特性，包括以下步骤：(1)假设落锤在冲击LFT平板过程中，动能的变化完全是由材料失效所消耗的能量而引起的，无论在落锤回弹还是穿透LFT平板的工况下，落锤动能转化成的功就是平板吸收的能量；(2)按照质量分数分组，绘制落锤动能转化成的功与落锤初始冲击速度的曲线，分析落锤出现回弹和落锤穿透LFT平板时，所有厚度LFT平板所吸收消耗的能量和落锤初始冲击速度之间的关系；(3)参照复合材料层合板低速冲击特性研究中，复合材料层合板吸收能量和落锤冲击能量存在着幂函数关系，通过式(1)形式的幂函数对LFT平板落锤回弹时的数据进行非线性拟合，得出不同质量分数下拟合参数和拟合曲线：其中：W为落锤动能转化成的功，c和d为拟合参数，v0为落锤初始冲击速度；(4)根据拟合的曲线，求得在落锤回弹时LFT平板所吸收的能量，预测回弹落锤剩余的能量和速度。步骤三中所述对不同纤维质量分数、不同厚度LFT平板进行非线性拟合，获得落锤临界穿透速度和最小穿透能量，包括以下步骤：(1)利用线性拟合的方法将每种LFT平板穿透时吸收的能量进行处理，每条直线与非线性拟合的幂函数曲线有一个交点，该交点表示落锤以不同初始速度冲击LFT平板时，存在一个落锤冲击临界穿透速度vl，刚好使得落锤穿透LFT平板，如果初始速度小于vl，则落锤发生回弹；(2)将落锤初始速度在vl时，LFT平板吸收的能量定义为最小穿透能量，用Uminp表示；(3)利用方程(2)，对不同纤维质量分数下，不同厚度LFT平板被落锤冲击的初始速度和参与速度进行非线性拟合，来获得落锤冲击临界穿透速度vl，此外，定义当落锤回弹时，vr始终等于0；其中：vr表示穿透LFT平板后残余速度；k为拟合参数；v0表示落锤初始速度；vl表示落锤冲击临界穿透速度。(4)绘制不同纤维质量分数下，LFT平板被落锤穿透时，落锤参与速度和落锤初始冲击速度的拟合曲线，并得到落锤冲击临界穿透速度vl，拟合参数k，标准方差R2；(5)将拟合得到各种形式LFT平板被穿透的临界穿透速度，按式(3)进行计算，得到落锤临界穿透速度冲击时，LFT平板吸收的能量，即最小穿透能量Uminp：其中，mp表示落锤质量；Uminp表示最小穿透能量；vl表示落锤冲击临界穿透速度；步骤四中所述建立能量吸收分析模型，包括以下步骤：首先，对落锤冲击LFT平板回弹过程中，能量的耗散和转移进行分析和定义。其次，当落锤冲击能量为0，或者当穿透发生时材料LFT平板返回给落锤的弹性能Uel为0的前提下，针对具有应变率效应的LFT平板，建立弹性能量Uel、落锤冲击能量Uimp和最小穿透能量Uminp的函数关系式(4)：式中：指数α通过试验数据或仿真结果拟合而成；落锤冲击能量Uimp的研究范围是[0，Uminp]；再次，根据材料LFT平板吸收能量Uabs的定义，得到表示式如下：Uabs表示LFT平板吸收能量；最后，采用最小穿透能量Uminp对式(5)进行归一化的处理，得到式(6)：为了确定式(6)中指数α的值，将落锤回弹仿真模型，计算得到的落锤冲击能量和平板吸收能量，利用对应平板最小穿透能量，进行归一化处理，再根据式(6)进行非线性拟合，建立能量吸收分析模型。步骤五中所述验证能量吸收分析模型，是指：进行冲击特性试验，得到冲击之后穿透平板后残余速度和落锤初始冲击速度的曲线，在曲线上提取落锤初始冲击速度、落锤冲击能量和平板吸收能量，并根据最小穿透能量进行归一化处理；对计算得到的能量吸收系数Uabs/Uminp与能量吸收分析模型预测值进行对比，并进行误差分析，验证能量吸收分析模型的正确性。与现有技术相比本发明的有益效果是：1.本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法考虑复合材料力学特性上表现出的应变率效应，通过非线性拟合得到平板的临界穿透速度和最小穿透能量。2.本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法以最小穿透能量为归一化参数建立了表征冲击能量与吸收能量之间关系的能量吸收分析模型，通过与文献中短碳纤维增强复合材料的试验数据对比发现该模型适用于非连续纤维增强复合材料，与纤维类型、纤维长度、含量及落锤尺寸均无关。所提出的能量吸收模型建立方法，可以预测不同工况下复合材料能量吸收量，进一步实现LFT材料结构的初始材料设计或选择，用于快速高效地设计出满足抗撞性和轻量化要求的车身部件。附图说明下面结合附图对本发明作进一步的说明：图1为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法的流程图；图2-1为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中质量分数为20％多尺度材料模型计算结果与拟合曲线对比；图2-2为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中质量分数为30％多尺度材料模型计算结果与拟合曲线对比；图2-3为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中质量分数为40％多尺度材料模型计算结果与拟合曲线对比；图3-1为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中质量分数为20％时落锤残余速度与初始冲击速度曲线；图3-2为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中质量分数为30％时落锤残余速度与初始冲击速度曲线；图3-3为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中质量分数为40％时落锤残余速度与初始冲击速度曲线；图4为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中落锤冲击能量与平板吸收能量归一化计算结果与拟合曲线对比图；图5为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中子弹冲击SCFRPEEK平板的初始速度与残余速度曲线图；图6为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中基于SCFRPEEK数据的本文能量吸收分析模型的验证图；图7为本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法中基于SCFRPEEK试验数据与本文模型预测值的对比图。具体实施方式下面结合附图对本发明作详细的描述：本发明所述的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法流程图如图1所示，首先建立不同厚度和质量分数交叉组合建立不同形式LFT平板，每种平板计算不同落锤冲击速度下的仿真模型，通过分析模型计算得到的冲击能量和吸收能量数据来研究LFT平板的能量吸收特性；其次研究不同质量分数和质量分数落锤回弹时LFT平板能量吸收特性，拟合出落锤动能转化功与落锤初始冲击速度的关系；同时，对不同纤维质量分数下不同厚度平板进行非线性拟合获得落锤临界速度和最小穿透能量；接着，将最小穿透能量作为冲击能量和吸收能量归一化参数，建立能量吸收分析模型；最后，将能量吸收模型与试验进行对比，验证模型有效性。所述的长纤维增强热塑性复合材料多尺度仿真方法如下：1.建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型选取平板厚度t和纤维质量分数ω作为在研究LFT平板冲击能量吸收特性的主要材料参数。其中厚度包括m种和质量分数包括n种，把m种厚度和n种质量分数交叉组合建立m×n种形式LFT平板，每种平板计算6种落锤冲击速度下的仿真模型，并保证2个模型中落锤发生了回弹，其余4个模型中落锤穿透了平板。在落锤冲击的多尺度耦合有限元模型中研究平板在中等应变速率以内冲击能量吸收能力的变化情况，将落锤的初始冲击速度设置在中等应变速率，去掉重力场以忽略势能的变化2.落锤回弹时LFT平板能量吸收特性研究假设落锤在冲击LFT平板过程中动能的变化完全是有材料失效所消耗的能量而引起的，即落锤动能转化成的功(落锤动能的前后差)就是平板吸收的能量，无论在落锤回弹还是穿透平板的工况。按照质量分数分组绘制落锤动能转化成的功与落锤初始冲击速度的曲线，分析落锤出现回弹和落锤穿透平板时，所有厚度平板所吸收消耗的能量和初始冲击速度之间的关系。考虑到诸多的复合材料层合板低速冲击特性研究中层合板吸收能量和冲击能量存在着幂函数关系，本文以式(1)形式的幂函数对落锤回弹时的数据进行非线性拟合，得出不同质量分数下拟合参数和拟合曲线。其中W为落锤动能转化成的功，v0为落锤初始冲击速度。根据拟合的曲线可以求得在落锤回弹时LFT平板所吸收的能量，能够预测回弹落锤剩余的能量和速度。3.落锤穿透时LFT平板的临界速度与最小穿透能利用线性拟合的方法将每种平板穿透时吸收的能量进行处理，如图2所示。可以看到每条直线与非线性拟合的幂函数曲线有一个交点，从物理意义上看该点表示落锤以不同初始速度冲击LFT平板时，存在一个临界速度vl刚好使得落锤穿透平板，如果初始速度小于vl则落锤发生回弹。同时将落锤初始速度在vl时平板吸收能量定义为平板的最小穿透能量，用Uminp表示。由于部分平板穿透能量线性拟合的结果并不理想，甚至出现了方差R2小于0.5的情况，所以本专利直接从图中2中计算获得落锤冲击的临界速度vl和平板最小穿透能量Uminp并不准确。Recht在研究弹道贯穿平板性能的时候提出了子弹穿透平板后参与速度vr与初始速度v0的解析方程，如式2所示，在等式右边将子弹穿透平板的临界速度vl作为一个常量。利用方程(2)，对不同纤维质量分数下不同厚度平板被落锤冲击的初始速度和参与速度进行非线性拟合来获得落锤临界速度vl，此外，定义当落锤回弹时vr始终等于0。绘制不同纤维质量分数下LFT平板被落锤穿透时落锤参与速度和初始冲击速度的拟合曲线，并得到拟合参数vl、k和R2。将拟合得到各种形式平板被穿透的临界速度按式(3)进行计算，得到落锤临界速度冲击时平板吸收的能量，即最小穿透能量Uminp。其中，mp是落锤质量。4.能量吸收分析模型的建立在模型建立之前，先对落锤冲击平板回弹过程中能量的耗散和转移进行分析和定义。首先，考虑理想状态的弹性体，在落锤冲击加载过程中冲击能量会被平板产生的弹性变形所吸收，而在落锤回弹卸载时平板储存的弹性能会全部返还给落锤，变成落锤的动能。然而，当考虑到真实材料的特性时，只有部分冲击能量会转化平板的弹性能，并同样在落锤回弹时释放这部分弹性能给落锤。然而，除了弹性能以外，还有一部分冲击能量会被材料的塑性变形和失效所消耗，在此本专利将这部分非弹性定义为材料平板的吸收能量Uabs，可以通过冲击能量和弹性能的差值求得。在落锤冲击试验中，试验数据的获得来自落锤而非试件，当出现回弹卸载情况时释放给落锤的弹性部分能量Uel能够根据落锤的最终速度来测量；而当穿透发生时落锤始终处于加载阶段，弹性能只有在落锤完全穿透后才能释放并造成平板的振动，因此可以认为平板被穿透时能返回给落锤的弹性部分能量Uel等于0。由此可以得出结论，当落锤冲击能量为0，或者当穿透发生时材料平板返回给落锤的弹性能Uel为0。在此前提下，针对具有应变率效应的LFT平板建立了一个包含弹性能Uel、落锤冲击能量Uimp和平板最小穿透能量Uminp的函数关系，如下：式中指数α需要通过试验数据或仿真结果拟合而成，落锤冲击能量Uminp的研究范围是[0，Uminp]。上式可以很好地满足之前提到两种落锤被返回弹性能为0的情况，即当Uminp＝0和Uimp＝Uminp的情况。根据材料平板吸收能量Uabs的定义可得到其表示式如下：由于不同材料参数的LFT平板的吸能特性有所不同，导致上式不具备普遍应用的可能，为此，本文采用最小穿透能量Uminp对上式进行归一化的处理得到下式：在研究的落锤冲击能量范围内平板的最小穿透能量最适合作为冲击能量和吸收能量的归一化参数，一方面它代表了落锤冲击工况的极限，另一方面它代表LFT平板在该冲击能量范围内的平板最大的能量吸收能力。此外，它还是构建材料参数与试验条件相关函数的重要参数。为了确定式(6)中指数α的值，将落锤回弹仿真模型计算得到的落锤冲击能量和平板吸收能量利用对应平板最小穿透能量进行归一化处理，再根据式(6)进行非线性拟合，完成LFT平板的能量吸收分析模型。5.能量吸收分析模型的验证进行冲击特性试验，得到冲击之后残余速度和初始冲击速度的曲线，在曲线上提取初始冲击速度、冲击能量和吸收能量，并根据最小穿透能量进行归一化处理。对计算得到的能量吸收系数与能量吸收分析模型预测值进行对比，并进行误差分析，验证能量吸收分析模型的正确性。实施例：本发明接下来结合实例介绍利用本发明提出的长纤维增强热塑性复合材料能量吸收模型建立方法的过程。1.建立不同厚度和质量分数落锤冲击计算模型选取平板厚度t包括2mm、3mm和4mm，质量分数ω包括20％、30％和40％，把3组厚度和3组质量分数交叉组合建立9种形式LFT平板，每种平板计算6种落锤冲击速度下的仿真模型，并保证2个模型中落锤发生了回弹，其余4个模型中落锤穿透平板，将低速落锤冲击的多尺度耦合有限元仿真模型中的落锤质量设置为1kg，落锤的初始冲击速度设置在范围1m/s-30m/s以内，去掉重力场以忽略势能的变化。2.落锤回弹时LFT平板能量吸收特性研究按照质量分数分为三组绘制了落锤动能转化成的功与落锤初始冲击速度的曲线，如图2所示。可以清楚地看出当落锤出现回弹时，每个质量分数下所有厚度平板所吸收消耗的能量与初始冲击速度呈非线性变化趋势；当落锤穿透平板时，随着初始冲击速度的增加，所有厚度平板所吸收消耗的能量也随之呈线性增加。以式(1)形式的幂函数对落锤回弹时的数据进行非线性拟合，不同质量分数下拟合参数见表1，拟合曲线见图2。表1材料力学特性参数与应变率曲线拟合参数cdR2ω＝20％0.342.220.999ω＝30％0.302.290.999ω＝40％0.402.050.998从方差R2可以看出在每个纤维质量分数下拟合的曲线与计算数据具有良好的一致性，而且与厚度的变化无关。根据拟合的曲线可以求得在落锤回弹时LFT平板所能吸收的能量，能够预测回弹落锤剩余的能量和速度。3.落锤穿透时LFT平板的临界速度与最小穿透能利用方程(2)，对3种纤维质量分数下3种厚度平板被落锤冲击的初始速度和参与速度进行非线性拟合来获得落锤临界速度vl，图3列出了三种纤维质量分数下LFT平板被落锤穿透时落锤参与速度和初始冲击速度的拟合曲线，拟合结果中参数vl、k及R2的详细值如表2所示。可以清楚地看到各拟合曲线与数据都具有非常良好的一致性，并且随着平板厚度和质量分数的增加，vl也逐渐增加，但k的变化趋势并不明显，基本在1.80上下波动。将拟合得到各形式平板被穿透的临界速度按式(3)进行计算，得到落锤临界速度冲击时平板吸收的能量，即最小穿透能量Uminp,计算结果见表3。表2LFT平板临界速度拟合参数表3LFT平板最小穿透能量ω＝20％ω＝30％ω＝40％t＝2mm8.5811.1615.02t＝3mm14.0217.8221.33t＝4mm20.4324.9327.984.能量吸收分析模型的建立将所有落锤回弹仿真模型计算得到的落锤冲击能量和平板吸收能量利用表3对应的平板最小穿透能量进行归一化处理，在根据式(6)进行非线性拟合，拟合曲线与计算结果的对比图如图4所示，可见二者具有良好的一致性。曲线拟合后得到参数α＝0.185，方差R2＝0.992，表明曲线拟合的精度很高。到此LFT平板的能量吸收分析模型已建立完成，其具体表达式如下：式中Uabs/Uminp被定义为能量吸收系数，它代表了在研究的冲击范围内平板所消耗的能量占其最大能量吸收能力的比重；Uabs/Uminp被定义为冲击强度系数，代表了所有形式LFT平板进行相互比较的共同基础。5.能量吸收分析模型的验证本文利用国外学者D.G在研究短碳纤维增强聚醚醚酮(ShortCarbonFiberReinforcedpolyether-ether-ketoneSCFRPEEK)冲击特性的试验数据对提出LFT能量吸收分析模型的有效性和实用型进行验证与分析。所选SCFRPEEK是利用注塑工艺进行加工的，其中碳纤维质量分数为30％，试验是通过气枪为刚体的球形子弹加速冲击材料平板，子弹的质量为1.3g,初始冲击速度范围为170m/-450m/s。如图5给出了子弹冲击SCFRPEEK平板之后残余速度和子弹初始冲击速度的曲线，在曲线上提取8个参考点并计算对应的子弹冲击能量和平板吸收能量，具体数值见表4，其中4个参考点来自试验数据，另外4个选自图中拟合的曲线。其中文献中已计算出平板的最小穿透能量为20.4J，将处理后的数据与本文提出的能量吸收模型进行对比。表4子弹冲击SCFRPEEK平板的初始速度与残余速度曲线*拟合曲线上提取的值图5列出了SCFR-PEEK数据与模型数据的对比结果，可以看出当子弹冲击能量在0到最小穿透能量范围内二者具有良好的一致性。SCFR-PEEK数据计算得到的能量吸收系数与能量吸收分析模型预测值的对比图，如图6所示，所有的对比结果均落在±5％的范围内。因此，所提出的LFT能量吸收分析模型同样适用于SCFR-PEEK。综上所述，该能量分析模型是根据LFT平板的数据建立的，但在一定程度上却能反映注塑工艺加工的非连续纤维增强复合材料的吸能规律，并且与复合材料增强相得类型(碳纤维或是玻璃纤维)，纤维的长度、纤维含量平板厚度以及落锤冲击试验条件均无关。当前第1页1 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