汽车针刺地毯复合材料热成形性能研究

论文摘要

材料成形性能的研究,源于工业生产实践中的迫切需求,近年来受到日益广泛的关注。作为机制地毯一种较新的制造技术,汽车针刺地毯复合材料在其实际热成形过程中,经常出现拉破、起皱、定形不良等种种制品缺陷。面对当前针刺地毯实际生产中的这些问题,全球的各汽车地毯生产企业依然处于依靠经验、反复试错以获得解决方案的阶段。这导致了汽车针刺地毯新产品的开发周期延长,已有产品的质量波动。在我国,现有的汽车专用地毯生产能力满足不了当前国内迅速发展的汽车工业的需求,导致了汽车地毯每年都需要大量的进口。因此,本文在国家自然科学基金委的项目资助(项目编号:50305020)下,首次以汽车针刺地毯复合材料的热成形性能为中心,进行了比较系统和深入的研究。通过高温拉伸实验参数的确定以及多种实验设计方案的实施,本文积累了针刺地毯复合材料的基本力学性能数据。对三种汽车针刺地毯复合材料进行了不同传热条件下(恒温绝热和自然对流传热)的大量高温力学实验,总结了针刺地毯复合材料高温力学行为的共同特点;应用聚合物材料的粘弹性基本原理,分析了拥有典型结构的两类针刺地毯复合材料(1.针刺毯坯层涂覆背胶层的双层结构,2.针刺毯坯层涂覆聚丙烯(PP)热定形层再添加衬垫层的三层结构)在不同温度条件下的变形机理。基于复合材料宏观力学的观点,从不可逆热力学基本原理出发,本文推导出了针刺地毯复合材料非线性热力耦合粘弹性本构模型的框架。为了使提出的材料模型能够体现温度效应在不同传热方式下的差异性,按照不可逆热力学本构理论框架中关于温度的定义,描述了温度对针刺地毯复合材料力学行为的影响。针对汽车针刺地毯复合材料热成形时各个阶段不同的实际传热方式,本文将单面冷却传热模型和大空间自然对流大平板模型分别引入本构模型框架,并采用Laplace变换、Laplace逆变换的方法,得到了针刺地毯复合材料在三种换热条件(恒温绝热、自然对流传热和热传导)下粘弹本构关系的具体表达式。在这些不同传热条件下本构关系的具体表达中,模型参数只需通过基本力学实验和热学实验即可确定,使得建立的该材料模型便于工业应用。利用通用型非线性有限元分析软件ABAQUS/Explicit中的用户自定义材料模型接口VUMAT,编程实现了本文提出的材料模型。进行了两种针刺地毯复合材料在不同传热条件下单向拉伸变形和半球冲压变形过程的数值模拟,得到的数值结果同针刺地毯的实验数据基本吻合,验证了材料模型的有效性;选择ABAQUS材料库中自带的Marlow材料模型,完成了单向拉伸和半球冲压过程的对比数值运算,将两类材料模型的数值结果同实验结果进行对比,进一步证明了本文所提材料模型在热力耦合条件下的精确性。最后,依据针刺地毯复合材料高温拉伸时的特有变形特征,结合建立的材料模型,本文提出了评价针刺地毯材料热成形性能的三个指标。通过与相应实验结果的对比,各指标的有效性获得了验证。这些指标可以分别从极限强度、变形能力和温度敏感性的角度,对汽车针刺地毯复合材料的热成形性能进行评价,从而为汽车针刺地毯在实际生产时的材料选择、稳定工艺条件设置等方面提供参考。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 汽车针刺地毯的热成形过程
• 1.3 相关研究综述
• 1.3.1 汽车针刺地毯的研究现状
• 1.3.2 针刺地毯材料的力学建模分析
• 1.3.3 粘弹性材料模型综述
• 1.4 本文的研究内容
• 本章参考文献
• 第二章 汽车针刺地毯复合材料的结构和力学行为研究
• 2.1 引言
• 2.2 汽车针刺地毯的两种典型结构
• 2.2.1 材料A 的结构
• 2.2.2 材料A 的背胶层固化反应研究
• 2.2.3 材料C 的结构
• 2.3 汽车针刺地毯的单向拉伸实验参数确定
• 2.3.1 试样宽度的确定
• 2.3.2 试样标距的确定
• 2.3.3 试样形状的确定
• 2.3.4 基本的实验参数和实验方案设计
• 2.4 含有背胶层结构的汽车针刺地毯（材料A）的力学行为
• 2.4.1 绝热条件下的正交实验
• 2.4.2 自然对流传热条件下的正交实验
• 2.4.3 自然对流传热条件下的变温度实验
• 2.4.4 实验结果讨论
• 2.5 含有PP 涂覆层结构的汽车针刺地毯（材料C）的力学行为
• 2.5.1 绝热条件下的正交实验
• 2.5.2 绝热条件下的温度实验
• 2.5.3 实验结果讨论
• 2.6 汽车针刺地毯高温力学行为的共同特点
• 本章参考文献
• 第三章 汽车针刺地毯复合材料热力耦合粘弹力学模型
• 3.1 引言
• 3.2 粘弹性本构理论概述
• 3.2.1 粘弹性本构关系基本原理
• 3.2.2 线性粘弹性材料模型到非线性的发展
• 3.2.3 R.A.Schapery 非线性粘弹性本构模型
• 3.3 汽车针刺地毯热成形条件下本构关系的一般表达
• 3.3.1 两个理论假设
• 3.3.2 关于参数Am 和Bmn 的简化假设
• 3.3.3 关于应变效应和温度效应的简化
• 3.4 单轴拉伸（1 维）时在不同传热情况下的本构关系表达
• 3.4.1 单轴拉伸情况下的粘弹性应力本构关系
• 3.4.2 恒温绝热时单轴拉伸粘弹应力
• 3.4.3 热传导时单轴拉伸粘弹应力
• 3.4.4 自然对流传热时单轴拉伸粘弹应力
• 3.4.5 弹性应力的本构关系
• 3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 汽车针刺地毯复合材料力学模型的参数确定
• 4.1 本构模型的参数分析
• 4.1.1 模型参数的物理意义
• 4.1.2 模型参数的确定方法
• 4.2 本构模型的参数确定
• 4.2.1 实验数据处理
• 4.2.2 正交实验结果的模型参数
• 4.2.3 变温度实验结果的模型参数
• 4.3 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 汽车针刺地毯复合材料力学模型的验证
• 5.1 引言
• 5.2 有限元数值算法中对材料本构关系的处理
• 5.2.1 有限元算法中常用的高分子材料本构方程
• 5.2.2 粘弹性本构模型在通用型有限元分析软件中的算法实现
• 5.3 针刺地毯复合材料本构关系的增量形式
• 5.3.1 本构关系等效变换的基本思路
• 5.3.2 两种传热情况下初始粘弹模量的表达式
• 5.4 针刺地毯复合材料力学模型的验证
• 5.4.1 单向拉伸实验
• 5.4.2 半球冲压实验
• 5.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 汽车针刺地毯复合材料的热成形性能评价
• 6.1 引言
• 6.2 机械性能指标
• 6.2.1 强度指标
• 6.2.2 拉伸极限分析
• 6.3 成形性能讨论
• 6.3.1 高温变形能力
• 6.3.2 变形的温度敏感性
• 6.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 结论与展望
• 7.1 基本结论
• 7.2 工作展望
• 附录 第三章公式推导
• 附录A. 粘弹本构方程式（3.51）的Laplace 变换
• 附录B. 式（3.56）中B2的求算
• 附录C. 式（3.65）中C2的Laplace 变换
• 附录D. 式（3.69）中参数D1,D2,D3的求算
• 附录F. 对流传热条件下的参数C2的Laplace 变换
• 参考文献
• 攻读博士阶段发表或录用的文章
• 致谢