碳纤维复合板材超声振动热冲压变形行为的研究

The increasing demand for vehicle lightweighting requires carbon fiber reinforced resin matrix composites (CFRRMC) parts. However, the existing forming methods, such as hand lay-up, autoclave moulding and resin transfer molding, etc., could only be used for laboratory and small batch manufacture, due to the time-consuming, inefficient and costly processes. This project develops a new forming process which can be used for manufacture of CFRRMC shell parts in batch quantity. The parts can be formed directly by ultrasonic vibration-assisted stamping CFRRMC sheet under the heated die. This project will establish ultrasonic vibration-assisted thermal stamping mechanical model of CFRRMC sheet, and investigate the deformation mechanism of the new forming process. The effects of ultrasonic vibration amplitude, frequency and temperature on composite flow and contact friction are obtained. The meso and macro mechanical behavior of CFRRMC sheet in ultrasonic vibration-assisted thermal stamping process are researched. The multi-field coupling finite element model of CFRRMC sheet thermal stamping is established, and the effects of composite material shear angle on wrinkling, fracture and the mechanical properties of formed composite parts during thermal stamping are revealed. The experimental research on ultrasonic vibration-assisted thermal bending and thermal deep drawing of CFRRMC sheet will be performed, and then the effects of forming process parameters on the thermal stamped CFRRMC parts quality and reasonable forming process parameters are obtained.

汽车轻量化对碳纤维增强树脂基复合材料制造的板材零件需求日益增加，现有的手工铺层、热压罐、树脂传递模塑成形等工艺方法耗时长、效率低、成本高，仅适用实验室及小批量试制。本项目提出了适用于碳纤维增强树脂基复合材料板材工业化批量生产的新工艺：将该板材在具有超声振动的加热模具作用下直接冲压成形。本项目建立了碳纤维复合材料板材超声振动热冲压力学模型，揭示了该新型板材热冲压成形的变形机理；获得了超声振动施加时振幅、频率和温度等因素对复合材料流动和接触面摩擦的影响规律；研究了碳纤维增强树脂基复合材料板材超声振动热冲压时的细观与宏观力学行为；建立了该复合材料的多场耦合热态冲压过程模拟有限元模型，揭示了该复合材料板材本身纤维剪切角对其冲压时起皱、破裂失效及工件机械性能的影响机制；开展复合材料板材的超声振动热弯曲和拉深实验研究，获得了工艺参数对其冲压质量的影响规律与合理的工艺参数。

碳纤维复合材料（CFRP）具有密度低、比强度高、比模量大、抗疲劳及可设计性强等特点，是汽车结构轻量化的理想材料。然而传统工艺的成形效率低、成本高、不适合大批量生产，限制其在汽车领域的大规模应用。本项目研究的碳纤维增强复合材料热冲压技术，是直接采用模具加热板料并进行冲压成形的新工艺方法，可完成复合材料壳体零件的一步成形，具有设备成本低、成形效率高、表面质量好、便于大批量生产等优点。本项目工作主要采用理论分析、有限元数值模拟和实验研究相结合的方法开展进行。主要研究内容如下：.（1）揭示碳纤维复合材料板的冲压变形机制，建立了相关成形理论。通过对双层碳纤维增强PC/ABS树脂基复合材料板进行不同温度的单向拉伸、斜拉伸以及摩擦试验，得出了板料沿纤维方向0°及45°方向的力学性能，并研究了碳纤维复合材料超声振动弯曲成形工艺。.（2）完成了对球形件和盒形件热冲压实验装置的研制，并开展了热冲压成形实验。研究了成形温度等主要工艺参数对成形质量的影响，确定出合理成形温度区间为130℃-150℃。根据制件成形质量及内部缺陷检测，探明了褶皱产生机理及成形极限。.（3）研制出一台可直接成形厚0.5-2mm和宽60-120mm试件的碳纤维复合材料红外局部加热辊弯成形样机，并进行了有限元仿真与实验研究，得出合理辊弯速度为4-8mm/s。.（4）研制出一条碳纤维复合材料汽车覆盖件热冲压成形线，成功试制出了发动机罩等比例件（350mm×450mm），成形节拍<2分钟。通过有限元模拟和实验研究了温度对成形件成形质量的影响规律。. 本项目共发表论文9篇，其中SCI论文5篇(2篇已接收)，授权发明专利6项，获得新装置2台，并开发出了成形生产线。以上研究工作可为复杂形状碳纤维复合材料车身覆盖件成形工艺方案的确定和成形质量的控制，提供必要的理论依据及方法支撑，有助于推动 CFRP 在我国汽车工业中的规模化应用、提高车辆轻量化和经济性，具有重要学术意义和工程应用价值。