...Ft D长纤维增强热塑性复合材料模压成型工艺研究
潘越等
摘要： 为提高复合材料车轮仿真的准确性，采用高性能长玻纤增强热塑性复合材料作为车轮材料，探索在考虑材料各向异性的情况下联合使用Moldflow，Digimat和Abaqus对车轮强度进行仿真的方法，并针对具体车轮采用该方法按照国家标准进行径向载荷下的强度仿真与分析.研究结果表明：复合材料各向异性特性对车轮应力、应变的分布及最大值均有较大影响；在同一位置是否考虑材料各向异性影响得到的应力值最大相差达314%.该方法可提高长玻纤增强复合材料车轮强度仿真计算结果准确性，可为车轮的进一步轻量化提供参考.
关键词：
汽车； 车轮； 轻量化； 均匀化方法； 各向异性； 径向载荷； 强度仿真
中图分类号： U463.34
文献标志码： A
收稿日期： 2014[KG*9〗09[KG*9〗16
修回日期： 2014[KG*9〗11[KG*9〗25
基金项目：
北京市自然科学基金（3142013）；国家青年科学基金（51405011）
作者简介：
潘越（1992—），男，陕西三原人，硕士研究生，研究方向为汽车结构强度及轻量化设计，（Email）583160461@qq.com
通信作者：刘献栋（1966—），男，河北赵县人，教授，博导，博士，研究方向为汽车结构强度与轻量化设计以及汽车振动与噪声控制，
（Email）liuxiandong@buaa.edu.cn
0引言
轻量化是当今汽车工业发展的趋势，更轻的质量意味着更低的油耗和更少的排放.世界铝业协会报告指出，汽车自身质量每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%，排放下降4%.降低车轮质量可降低汽车非簧载质量，提升汽车的燃油经济性，并利于改善行驶平顺性.车轮作为旋转件，其轻量化效果约相当于非旋转件的1.5倍，因此，作为汽车的重要部件，车轮轻量化是车轮发展的趋势.实现车轮轻量化的途径主要有：使用轻质材料、采用优化设计方法以及开发新工艺.因此，将典型轻质复合材料用于车轮设计是实现车轮轻量化的重要途径，目前已引起业内的高度重视.
国内外学者对复合材料车轮设计与仿真的探索已经取得一系列成果，但目前相关的研究主要是针对碳纤维增强铺层结构车轮.德国推出MegalightForgedSeries车轮，轮辋采用碳纤维复合材料，轮辐采用轻量化合金，较一般同尺寸车轮质量降低40%左右，但该车轮价格昂贵，只适合高端车辆.澳大利亚Carbon Revolution公司为保时捷911系列跑车开发全碳纤维复合材料车轮，比相同尺寸的铝制车轮轻40%～50%.在国内，刘国军和周家付基于层合板理论对碳纤维/环氧复合材料车轮的层铺结构进行优化设计，优化后车轮质量降低约10%.边文凤等设计采用碳纤维环氧材料的复合材料车轮的铺层结构，建立车轮弯曲疲劳试验的有限元模型，分析车轮的应力、应变状况，并与结构相同的铝合金车轮进行对比，认为在铺层结构合理的情况下复合材料车轮与铝制车轮相比质量可减轻40.74%，结构强度性能更好.畅世为等对采用铺层结构的复合材料车轮进行冲击试验仿真，结果表明该复合材料车轮应变比铝合金车轮小30%～40%.但是，采用铺层方法制造车轮生产效率低、成本较高、难以大批量生产.高性能长玻纤增强热塑性复合材料可采用高效率的注塑成型工艺，并且可选择合适的基体和纤维以及通过设定合适的注塑工艺参数得到合理的纤维分布，从而获得良好的材料属性，目前已广泛用于风力发电机叶片[9]和汽车配件[1011]等.但是，目前关于采用该类复合材料利用注塑成型工艺制造车轮的研究，尚未见文献报道.
本文针对采用高性能长玻纤增强热塑性复合材料、利用高效率的注塑成型工艺加工制造的车轮，探索考虑因注塑成型工艺导致纤维的大离散性、方向差异对材料属性和力学性能影响的综合仿真方法，并应用该方法对某型车轮进行径向载荷作用下的强度仿真，结果显示材料各向异性特性对车轮应力、应变状况有很大影响.
1车轮综合仿真方法
基于注塑成型仿真软件Moldflow、复合材料特性分析软件Digimat和结构有限元分析软件Abaqus等的功能特点，探索考虑复合材料各向异性特性影响的复合材料车轮综合仿真方法，其流程为：首先应用Moldflow获得车轮纤维分布及方向信息；然后应用Digimat实现纤维方向数据的映射，并建立复合材料各向异性材料模型；最后应用Abaqus对车轮进行结构的有限元仿真.仿真流程见图1.
1.1注塑成型仿真分析
采用Moldflow对车轮注塑成型过程进行模流仿真，得到车轮注塑成型过程中不同位置的纤维分布和方向.将车轮的三维模型（见图2a）导入Moldflow中并划分工艺仿真网格（见图2b）.对车轮进行注塑填充过程的仿真，得到填充完成后车轮中的纤维方向信息，见图3.
1.2网格映射
由于工艺仿真网格与结构有限元网格有较大差异，将在Abaqus中建立的车轮结构网格与Moldflow中的工艺仿真网格通过DigimatMAP进行映射，导入模流仿真所获取的纤维分布和方向中，获得带有
纤维分布和方向信息的结构有限元网格.
映射后结构有限元网格中的纤维方向信息见图4.图中数值越大表示该位置处纤维沿x方向的一致性越好.
1.3复合材料属性
应用DigimatMF根据复合材料基体与纤维各单相材料的属性以及纤维形状、纤维含量等信息，建立复合材料的材料模型，获得不同纤维方向下的材料属性.对于数据库中已有的材料模型，也可以在DigimatMX中直接调用.
1.4联合求解
基于Digimat得到的复合材料模型以及含纤维方向信息的结构有限元网格，利用DigimatCAE采用均匀化方法获得车轮结构不同位置处的各向异性材料特性.
该方法通过代表性体积单元（Representative Volume Element， RVE）建立宏观与微观间的联系.该微元应满足：其尺度相对于结构尺度充分小，相对于复合材料微观夹杂的尺度充分大.通过2步均匀化过程获得RVE上的平均响应，见图5.在第1步中，通常利用MoriTanaka方法生成由基体、形状、方向的长径比等相同的纤维构成的颗粒，并获得其等效刚度和纤维含量；在第2步中，利用Voigt或Reuss理论将所有颗粒均匀化，得到RVE的等效材料属性.
通过整合基体及单个纤维基础的非线性属性和每个单元的纤维方向信息生成每个单元特定的材料数据卡，利用Abaqus中的Digimat插件将其赋予车轮有限元模型，并利用Abaqus求解器求解计算.
2车轮径向载荷下的强度仿真和分析
目前，国内外关于材料各向异性对汽车车轮性能的影响尚未见报道.本文分别在材料各向异性和假设材料为各向同性2种情况下对车轮在径向载荷作用下的强度进行仿真，进而分析纤维增强复合材料各向异性特性对车轮性能的影响程度.假设材料为各向同性时，只需要按照传统方法利用Abaqus进行有限元建模和求解即可；考虑材料各向异性时，则必须采用上述复合材料车轮综合仿真方法.
2.1车轮径向疲劳试验
作为汽车的A类关键件，车轮的结构强度应满足GB/T 5334—2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》和GB/T 5909—2009《商用车辆车轮性能要求和试验方法》等国家标准.热塑性复合材料车轮因其延展率较低，与铝制车轮类似，因此应同时满足弯曲疲劳试验、径向疲劳试验和冲击试验测试等国家标准的要求.本文仅针对复合材料车轮的径向疲劳试验工况对其受力状况进行仿真.
在车轮径向疲劳试验中，车轮转动时承受由转鼓施加的恒定径向载荷，并且载荷方向沿车轮和转鼓的中心连线.根据车轮企业提供的数据将径向载荷定为W=10 485 N，轮胎气压为0.45 MPa.
2.2径向试验车轮模型和网格划分
以图2a为例，因本车轮为某铝制车轮的替代产品，其安装尺寸源于该铝制车轮.所用复合材料玻纤含量为40%，基体为聚丙烯，测试方向沿纤维方向，其杨氏模量约为铝合金的1/3，因此设计中对车轮轮辐及轮辋结构进行适当加厚.车轮的三维模型由CATIA软件建立并直接导入Abaqus，采用2阶单元C3D10I自由划分四面体网格.
2.3载荷条件
2.3.1轮胎径向分布载荷
径向疲劳试验中轮胎所受径向载荷通过轮胎与轮辋之间的接触面传递到轮辋上，见图6.STEARNS分析在径向载荷作用下轮辋与轮胎接触部位的应力分布，得出该应力近似呈余弦波状分布，波形中心夹角对称于压力方向，载荷作用的最大偏转角θ0的范围为30～40°.
根据STEARNS的研究，最大等效分布力为
W0=Wπ4brbθ0
（1）
式中：
W为径向集中力，即径向载荷；W0为等效最大径向分布力；b为胎圈座总宽度；rb为胎圈座处车轮半径；θ0为径向分布载荷作用的最大偏转角，设应力为余弦波状分布并取θ0=40°进行加载.根据车轮企业提供的数据，W=10 485 N，b=19.66 mm，rb=189.58 mm.将上述数据代入式（1），求得W0=3.165 MPa.
2.3.2轮胎充气压力载荷
为简化分析，有限元模型中没有包含轮胎结构，将轮胎充气压力按照分布面载荷形式均匀地加载到轮辋胎圈座以内的表面上，见图7.轮胎充气气压为0.45 MPa.
3.4边界条件
根据径向试验的实际情况，在车轮安装面中心设置参考点，将轮辐内表面和轮辐中与螺栓相接触的锥面分别与参考点设置耦合约束，并对参考点施加各个自由度的固定约束，从而约束车轮的刚体运动.模型不考虑车轮的旋转运动，针对车轮在转动过程中的某一时刻，对其在径向载荷作用下的受力状态进行仿真.
2.5材料属性
采用某复合材料在温度为23℃，湿度为0时的材料属性.该材料基体为聚丙烯，增强相对含量40%的玻璃纤维.
3仿真结果和分析
3.1假定材料为各向同性时的仿真结果
假设材料为各向同性，即在仿真过程中不引入纤维的分布与方向信息，得到车轮在径向载荷下的应力、应变结果见图8和9.
由图8可知：假设材料为各向同性时车轮的von Mises应力最大值点位于轮辋远端外侧的点1，最大应力为52.7 MPa；轮辋内侧点2的von Mises应力值也较大，为45.5 MPa.由图9可知：假设材料为各向同性时车轮的应变最大值点位于轮辋内侧的点5，最大应变为1.237%.
3.2考虑材料各向异性特性的仿真结果
考虑材料各向异性特性，在仿真过程中引入纤维的分布与方向信息，得到车轮在径向载荷下的应力、应变结果见图10和11.
由图10可知：考虑材料各向异性特性时车轮的von Mises应力最大值点位于轮辐内侧的点3，最大应力为55.9 Mpa；轮幅外侧点4的von Mises应力值也较大，为49.3 MPa.由图11可知：考虑材料各向异性特性时车轮的应变最大值点位于轮辐内侧的点8，最大应变为0.678%；轮辋外侧远端的点6和轮辐外侧的点7应变也较大，分别为0.663%和0.633%.
3.3结果对比分析
分析2种不同情况下危险点处的应力状况.分别取编号1～4的应力危险点，得到2种情况下车轮的von Mises应力结果，见表1.
分析2种不同情况下危险点处的应变状况.分别取编号5～8的应变危险点，得到2种情况下车轮的应变结果，见表2.
由以上计算结果可知：
1）材料各向异性特性对车轮应力的仿真结果有较大影响.考虑材料各向异性时，应力危险点位于轮辐内侧，最大von Mises应力为55.9 MPa，不考虑材料各向异性时该位置处von Mises应力值仅有26.5 MPa；不考虑材料各向异性时，应力危险点位于轮辋外侧，最大von Mises应力为52.7 MPa，考虑材料各向异性时该位置处von Mises应力值仅有37.8 MPa.由此可见，复合材料各向异性特性会明显改变车轮的应力分布和最大应力的数值.
2）材料各向异性特性对车轮应变的仿真结果也有较大影响.考虑材料各向异性时，应变危险点位于轮辐内侧，最大应变为0.678%；不考虑材料各向异性时，应变危险点位于轮辋内侧，最大应变达到1.237%.由此可见，复合材料各向异性特性会明显改变车轮的应变分布和最大应变的数值.
3）材料各向异性特性对车轮不同位置处应力、应变状况的影响比较复杂，影响因素主要有载荷方向、纤维方向和纤维受力状况等.增强纤维在受拉或受弯时承载性能较强，而在受压时由于存在失稳现象而承载性能变差.因此，在外部载荷作用下，结构内增强纤维主要处于受拉或受弯状态时，该部位的受力状况可得到改善；而结构内增强纤维主要处于受压状态时，该部位受力状况会恶化.复合材料车轮轮辐中的纤维主要沿径向分布，并且在径向载荷作用下，车轮各个轮辐承受的压力载荷处于主导状态，即轮辐内纤维以受压状态为主，故对于径向载荷工况来讲，材料各向异性特性会使车轮的受力状况恶化.
4结论
探索在考虑材料各向异性影响情况下长玻纤增强热塑性复合材料车轮强度的综合仿真方法，并基于国家标准对该车轮在径向载荷作用下的应力和应变进行仿真与分析，得出以下结论：
1）联合应用Moldflow，Digimat和Abaqus对复合材料车轮在径向载荷下的结构强度进行仿真，可考虑材料各向异性特性对车轮应力和应变结果的影响.
2）材料各向异性特性对仿真结果影响明显，仿真时必须考虑.材料各向异性导致车轮的应力和应变分布发生明显改变，车轮中同一位置处的应力和应变结果也发生明显变化，例如某位置应力最大变化可达314%，应变最大变化可达177%.
3）考虑材料各向异性，车轮的应力和应变结果的变化不仅与纤维方向一致性程度相关，还与车轮所受的载荷形式相关.对于车轮轮辐中的受压区域，纤维方向与载荷方向相同，此时纤维方向的一致性越强，其承载能力下降越严重.
4）按照材料各向同性仿真得到的注塑成型复合材料车轮的应力和应变结果有较大误差.本文所用的综合仿真方法相对更合理、准确，可获得更符合实际的车轮应力和应变结果.
本文所取得的阶段性成果可为复合材料车轮的工艺与结构设计提供指导，后期正据此进行车轮材料的选择与性能测试、车轮注塑模具的开发等工作，以及进行车轮样件的制造与试验验证，最终设计出可量产并可满足国家标准的长玻纤增强热塑性复合材料车轮.
参考文献：
[1]
BENEDYK J C. Light metals in automotive applications[J]. Light Metal Age， 2000， 58（9/10）： 3435.
[2]周明， 张忠民， 李玉荣. 轻量化车轮的研究分析[J]. 现代零部件， 2009（10）： 4243.
ZHOU Ming， ZHANG Zhongmin， LI Yurong. Research and analysis of lightweight wheels[J]. Mod Components， 2009（10）： 4243.
[3]胡兴军. 碳纤维在汽车上的应用[J]. 汽车与配件， 2008 （50）： 4445.
HU Xingjun. Application of carbon fiber in vehicles[J]. Automobile & Parts， 2008 （50）： 4445.
[4]杨萍. Carbon公司为保时捷911推出碳纤维轮毂[J]. 玻璃钢， 2012（3）： 38.
YANG Ping. Carbon corporation releases carbon fiber wheels for Porsche 911[J]. Fiber Reinforced Plastics， 2012（3）： 38.
[5]刘国军. 复合材料汽车车轮的强度分析及优化设计[D]. 哈尔滨： 哈尔滨工业大学， 2006.
[6]周家付. 复合材料车轮结构轻量化的研究[J]. 现代机械， 2009（4）： 6466.
ZHOU Jiafu. Application of composite materials to lighten automobile wheels[J]. Mod Machinery， 2009（4）： 6466.
[7]边文凤， 刘国军， 贾宝贤. 复合材料汽车车轮的强度分析与铺层设计[J]. 机械强度， 2008， 30（2）： 315318.
BIAN Wenfeng， LIU Guojun， JIA Baoxian. Intensity analysis and layer design for automobile wheel made of complex material[J]. J Mech Strength， 2008， 30（2）： 315318.
[8]畅世为， 张维刚. 复合材料车轮冲击试验仿真分析[J]. 汽车工程， 2010， 32（1）： 6568.
CHANG Shiwei， ZHANG Weigang. Simulation analysis on impact test of composite wheel[J]. Automotive Eng， 2010， 32（1）： 6568.
[9]刘立群， 吴玉萍， 刘军峰， 等. 复合材料在风力机叶片上的应用[J]. 能源技术， 2010， 31（6）： 331333.
LIU Liqun， WU Yuping， LIU Junfeng， et al. Application of composites on blade of wind turbine[J]. Energy Technol， 2010， 31（6）： 331333.
[10]张志坚， 章建忠. PA66/GF复合材料研制及应用[J]. 工程塑料应用， 2010， 38（8）： 4244.
ZHANG Zhijian， ZHANG Jianzhong. Development and application of PA66/GF composites[J]. Eng Plastics Appl， 2010， 38（8）： 4244.
[11]CHITNIS M， SHAH S， HAMMER M， et al. Advanced Simulation of fiberreinforced automotive radiator end tanks by capturing anisotropic material properties[C]// Proc 9th Annu Automotive Composites Conf & Exhibition， SPE Automotive & Composites Division. Michigan， 2009： 759768.
[12]沈观林， 胡更开. 复合材料力学[M]. 北京： 清华大学出版社， 2006： 09.
[13]PIERARD O， FRIEBEL C， DOGHRIL I. Meanfield homogenization of multiphase thermoelastic composites： a general framework and its validation[J]. Composites Sci & Technol， 2004， 64（10/11）： 15871603.
[14]MORI T， TANAKA K. Average stress in matrix and average elastic energy of material with misfitting inclusions[J]. Acta Metall， 1973， 21（5）： 571574.
[15]HASHIN Z， Shtrikman S. A variational approach to the theory of the effective magnetic permeability of multiphase materials[J]. J Appl Phys， 1962（33）： 31253131.
[16]GB/T 5334—2005乘用车车轮性能要求和试验方法[S].
[17]GB/T 5909—2009商用车辆车轮性能要求和试验方法[S].
[18]STEARNS J. An investigation of stress and displacement distribution in a aluminum alloy automobile rim[D]. Akron： University of Akron， 2000.
（编辑武晓英）
