混杂纤维增强热塑性复合材料汽车结构件的多尺度建模、性能预测及分级概率评价

Using hybrid hot pressing and injection molding of continuous and discontinuous assembly fiber reinforced thermo plastics (AFRTPs) may achieve both high mechanical properties and complicated geometry feature. At present, it is one of the best manufacturing methods of complicated automotive structural parts with high efficient and low cost. This research aims at the fundamental applied science problems in conceptual design, performance simulation and analysis evaluation of plate and beam-like AFRTP automotive parts. The topological optimization method is proposed for multi-domain anisotropic thin wall structure based on the mathematic description of the mold pressing and injection molding and their combination; the anisotropic constitutive model considering the fiber probability distribution and the failure criteria which can predict the different failure modes will be deduced for multi-scale simulation, and further more, the residual stress and hybrid fiber form are also concluded. The high precision reliability prediction of the static, dynamic of FRTP thin-wall structure will be implemented. the building block classification evaluation system from material, specimen to components level will both consider the load spectrum of two typical parts and the main failure modes, and also include the variance of constituent material, wall thickness and process parameters; and experiment indices at all levels will be optimized, and key parameters capacity limit will be proposed economically and moderately, which will provide design theory, simulation method and evaluation system for the applications of AFRTP.

利用热压/注塑复合工艺对连续和非连续混杂（组合）纤维增强热塑性复合材料（AFRTP）进行加工，可兼顾结构力学性能和复杂几何特征，是目前实现高效率、低成本制造复杂外形汽车结构件的最佳技术之一。课题针对板、梁类AFRTP汽车结构件在概念设计、性能仿真与分析评价中的共性科学问题，开展以下理论和实验研究：进行模压、注塑及其复合工艺约束条件的数学表征，建立含内嵌件的多域各向异性薄壁结构拓扑优化方法；推导含纤维概率分布信息的各向异复合材料本构方程，建立包含失效模式和纤维形态的多尺度仿真模型，并考虑残余应力，进行高精度静、动态性能预测。根据两类典型汽车零部件的载荷谱及主要失效模式，考虑材料、厚度及工艺参数的变动区间，建立从组分材料、试样、到结构件级别性能的积木式分级概率评价；优化各级实验指标，提出经济性的、适度的AFRTP汽车结构件关键参数容限值，为AFRTP的工业应用提供设计理论、仿真方法和评价体系。

“以塑代钢”是实现汽车轻量化最有效的途径之一。其中，回收性好、成形周期短、价格便宜、可直接成形复杂形状并无需后处理的热塑性复合材料，还主要用在非承载件或半承载件上，并通过短纤维注塑工艺制造。在承载结构件上应用，主要采用航空领域的热固性连续纤维层合板。若将热塑性材料用于承载件，还有较大的挑战。模压和注塑是适合汽车工业热塑性复合材料零部件批量化生产的两种主要成型工艺。课题将连续和非连续纤维组合使用，通过模压后再注塑构成组合的纤维增强热塑性复合材料（AFRTP）结构件，可兼顾较高的力学性能和复杂的几何特征，同时满足高生产效率和相对较低制造成本。.课题针对板、梁类汽车结构件在概念设计、性能仿真与分析评价中的共性科学问题，开展以下理论和实验研究：对碳纤维表面进行改性，提升了纤维与热塑性基体界面的相容性；用试验和仿真的方法揭示了模压注塑界面强度影响因素和影响规律，实现了界面的形性调控；进行模压、注塑及其复合工艺约束条件的数学表征，实现了基于工艺约束的模压域纤维方向及铺层设计和注塑域筋肋布置拓扑优化设计；全面、系统地实验表征了车用纤维增强热塑性复合材料在不同温度、湿度下的各向力学性能，建立了两种工艺界面损伤演化模型；建立包含失效模式和纤维形态的多尺度仿真模型，并考虑残余应力影响，进行了高精度静动态性能预测；建立了考虑材料、几何及工艺参数波动的性能预测模型，建立了从组分材料-标准试件-典型零件（板类，梁类，旋转体）的分级评价指标体系，提出了复合材料分级概率设计和评价方法；设计及制造了汽车塑料尾门加强板、汽车座椅下横梁及轴对称汽车轮毂等典型承载件，试验验证了工艺成形性、生产节拍和静动态力学性能。攻克了两种材料及其工艺界面的形性调控，热塑性复合材料及界面本构、多尺度建模与损伤机理揭示、概率设计与分级评价等关键科学问题，为AFRTP材料在汽车承载件上应用提供理论、方法和技术支撑。已发表论文61篇，申请发明专利8项（已授权4项），软件著作权1项；培养青年教师5人、技术骨干4人，博士后3人，博士生6人和硕士生17人。.