玄武岩纤维增强聚乳酸力学性能及耐老化性能

通过拉伸实验和老化实验,研究了玄武岩纤维含量对BF/PLA拉伸性能、抗冲击性能及耐老化性能的影响规律,通过DSC实验得到BF/PLA复合材料的结晶度,分析其耐老化原因。随着质量分数增加,其拉伸强度增加可达到141 MPa,弹性模量达到5 GPa,达到峰值后又减小。质量分数达到30%时,缺口冲击强度和非缺口冲击强度分别达到6.7 kJ/m~2和20.76 kJ/m~2。DSC实验结果表明,随着玄武岩纤维含量的增加,聚乳酸复合材料的结晶度由34.6%增加到54.6%,而结晶度的增加可以减缓聚乳酸的降解速度。当质量分数达到60%时,老化实验后的弹性模量可以保持降解前的77%,延缓降解速度较为明显。经分析,拉伸强度与玄武岩纤维质量分数呈二次多项式关系,而弹性模量与玄武岩纤维质量分数之间呈线性关系。这种函数关系不受材料力学性能下降的影响。     

纤维增强复合材料应变率效应的数值仿真

为研究应变率效应对纤维增强复合材料仿真精度的影响,引入动态增强因子(DIF)对复合材料模量和强度进行修正,结合改进的Hashin失效准则,建立了可考虑应变率效应的复合材料三维渐进性损伤本构模型。将该模型通过VUMAT子程序嵌入Abaqus软件中,进行弹丸侵彻玻璃纤维增强复合材料层合板仿真,将仿真结果分别与试验结果和不考虑应变率效应的本构模型仿真结果进行了对比。结果表明:本文建立的含有应变率的本构模型,能较准确地模拟弹丸侵彻层合板过程;在1.8、3 m/s两种弹丸侵彻速度下,含应变率与不含应变率的仿真结果相比,精确度分别提高了14.1%、22.7%;对于不考虑应变率的本构模型,仿真误差随侵彻速度的增大而增加,由1.8 m/s的28.7%增大到3 m/s的36.9%,考虑应变率的本构模型仿真误差比较稳定。     

玄武岩纤维含量对玄武岩纤维/聚乳酸-铝合金复合材料连接强度的影响

为了提高聚乳酸（PLA）与铝合金的连接强度,采用在PLA中添加玄武岩纤维（BF）获得BF/PLA复合材料的方式对PLA进行增强。利用转矩流变仪对干燥处理后的PLA及BF进行密炼,利用光纤激光器对铝合金表面进行毛化处理。采用平板硫化机对BF/PLA复合材料和处理后铝合金进行连接成型,测试其拉伸强度,对失效后断面进行分析。结果表明:随着BF质量分数的增加,BF/PLA-铝合金连接强度先增强后降低,BF质量分数的增加影响了BF/PLA复合材料的结晶成核。结合试验获得的结果,建立有限元分析模型进行数值模拟,结果显示所建立的模型能够准确还原BF/PLA-铝合金拉伸过程。      

玄武岩纤维增强聚乳酸力学性能及耐老化性能

通过拉伸实验和老化实验，研究了玄武岩纤维含量对BF/PLA拉伸性能、抗冲击性能及耐老化性能的影响规律，通过DSC实验得到BF/PLA复合材料的结晶度，分析其耐老化原因。随着质量分数增加，其拉伸强度增加可达到141 MPa，弹性模量达到5 GPa，达到峰值后又减小。质量分数达到30%时，缺口冲击强度和非缺口冲击强度分别达到6.7 kJ/m²和20.76 kJ/m²。DSC实验结果表明，随着玄武岩纤维含量的增加，聚乳酸复合材料的结晶度由34.6%增加到54.6%，而结晶度的增加可以减缓聚乳酸的降解速度。当质量分数达到60%时，老化实验后的弹性模量可以保持降解前的77%，延缓降解速度较为明显。经分析，拉伸强度与玄武岩纤维质量分数呈二次多项式关系，而弹性模量与玄武岩纤维质量分数之间呈线性关系。这种函数关系不受材料力学性能下降的影响。     

内凹三角形负泊松比结构耐撞性多目标优化设计

为设计出具有良好耐撞性的车辆碰撞吸能结构,以内凹三角形负泊松比多胞结构为研究对象,通过显式动力有限元软件LS-DYNA建立了此吸能结构的轴向冲击有限元模型。结合最优拉丁超立方设计方法,构建了此吸能结构的峰值冲击力PCF和比吸能SEA关于长胞壁尺寸a与胞壁厚度b的多项式代理模型,采用第二代非劣排序遗传算法(NSGA-II)进行多目标优化设计,并基于适应度函数C获取一妥协解。优化结果表明:胞壁厚度比长胞壁尺寸对此吸能结构耐撞性影响更显著,通过合理匹配壁厚和长胞壁长度,能有效降低峰值冲击力,提高比吸能。     

混杂比对碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料弯曲性能的影响

将玄武岩纤维置于混杂铺层的压缩侧,研究了碳纤维-玄武岩纤维混杂增强环氧树脂基复合材料的弯曲性能及混杂比对其弯曲性能的影响。通过对试样进行三点弯曲试验得到了材料的弯曲性能,并通过扫描电子显微镜观察材料的失效模式。与纯碳纤维增强环氧树脂基复合材料相比,当混杂比为16.7%和33.3%时,混杂复合材料的弯曲强度明显提升,弯曲强度分别提高12.4%和15.2%,但是其弯曲模量随着混杂比的提升而降低。混杂后的材料及玄武岩纤维增强环氧树脂基复合材料的失效位移都高于碳纤维增强环氧树脂基复合材料,断裂韧性明显提升。从侧面观察可以发现不同铺层在压缩侧、拉伸侧和中间层有不同的失效形式。      

倾斜荷载下内凹三角形负泊松比材料的面内冲击动力学性能

倾斜荷载在汽车碰撞事故中无法避免,严重影响多胞材料的力学响应。以内凹三角形负泊松比材料为研究对象,通过显式动力有限元软件LS-DYNA具体分析了冲击倾角(0°~10°)与冲击速度(20~70 m/s)对内凹三角形负泊松比材料面内冲击的变形模态和动力响应的影响,并构造了完整的变形模式分类图。引入最佳承载角的概念,当冲击倾角β=4°时,诱发了稳定有序的变形模式,使得抵抗变形的形式主要以结构胞壁的压缩与弯曲为主,平台应力值与吸能值得到了较大的提升,进一步发挥了结构的抗承载能力,甚至超过了理想的轴向冲击工况。这一特征与六边形蜂窝结构有所不同,对汽车吸能构件的设计具有重要的指导意义。     

金属表面特征与金属-塑料直接连接强度的相关性

利用酸碱溶液去除金属表面的氧化膜,利用光纤激光器对金属表面进行处理,利用平板硫化机完成金属-塑料之间的热压连接成型。研究了不同激光功率和不同扫描密度对金属-塑料直接连接强度的影响。结合金属-塑料连接截面微观组织形貌和扫描电子显微镜(SEM)图,分析了金属表面特征与金属-塑料直接连接强度之间的相关性。结果表明:随着激光功率的增大,金属-塑料直接连接强度先增大后减小;随着扫描密度的增大,金属-塑料直接连接强度增大。     

双材料负泊松比结构的面内冲击动力学性能

提出了一种双材料双箭头负泊松比结构,在保证元胞几何参数不变的前提下,引入了刚性材料分数LI.采用显式动力有限元软件LS-DYNA对不同冲击速度和不同刚性材料分数下的动力学响应进行数值模拟研究,并详细讨论了其对面内抗冲击能力和能量吸收能力的影响.同时,为了获得较好的综合性能,进一步建立了分层递变梯度模型,探究了梯度形式对峰值冲击力、比吸能、平台应力的影响关系.研究结果表明:刚性材料分数的引入使得平台应力得到了显著提升,并随着刚性材料分数的增加而增加,其对峰值冲击力与比吸能的影响机制有着明显的不同;通过合理地设计梯度分布形式,可以在保持峰值冲击力较低的前提下,进一步提高能量吸收能力,实现对材料吸能过程的控制.     

采用聚乳酸复合材料的汽车零件多材料优化设计

以玄武岩纤维为增强材料,增强聚乳酸拉伸力学性能使其满足汽车非金属产品的力学性能要求,同时利用多材料方法设计产品,实现轻量化。首先研究了玄武岩纤维含量与其复合材料的关系,通过多材料设计方法并以零件的实际工况为设计条件对产品进行再设计。利用多岛遗传算法(MIGA)与遗传算法-响应面(GA-RSM)模型结合的优化方法寻求最优材料参数组合。结果表明:玄武岩纤维可提高聚乳酸的力学性能,GA-RSM模型在预测值时有较高的精确性,通过以上设计方法,使零件质量降低了9%。以上结果证明了聚乳酸复合材料可作为石油基材料的替代品应用到汽车产品研发中;多材料设计结合MIGA的方法可实现汽车产品轻量化。