机织物冲压成型各向异性超弹性本构建模

Application of weave fabric reinforced resin matrix composites in main load-bearing structures is undoubtedly one of the most important options for automobile light-weight design. Hot stamping forming process is considered to be suitable for large-scale production of automobile because of its high efficiency, low-cost and so on. Considering nonlinear large deformation, strong anisotropy, multi-deformation modes coupling, wrinkling defects inherent in the hot stamping forming process for carbon fiber reinforced composite structures, and based on continuum mechanics and constitutive theory, this proposal aims to propose the strain invariants of deformation tensors corresponding to tension, shear and bending deformation modes of woven fabric respectively, construct strain energy density as a general function of strain invariants, establish an anisotropic hyperelastic constitutive model with biaxial-tension coupling effect, tension-shear coupling effect and bending stiffness simultaneously, explore the influences of forming process parameters, coupling effects and bending stiffness of the weave fabric itself on the hot stamping forming, understand the fundamental mechanics in hot stamp forming, identify the wrinkling defects and their characteristics and influence factors, reveal the forming mechanism of wrinkling defects. The results of this study can lay a theoretical foundation for the optimization of stamping process of weave fabric composites and can be used to guide production practices.

碳纤维机织物增强树脂基复合材料应用于主承力构件是汽车轻量化的重要途径之一。为适应汽车工业规模化生产要求，热冲压成型工艺被寄予厚望。针对碳纤维复合材料构件的热冲压成型工艺，综合考虑机织物增强体在成型过程中呈现出的非线性大变形、强烈的各向异性、多种变形模式相互耦合以及褶皱缺陷等复杂的力学行为，本申请拟以连续介质力学和本构理论为基础，提出与机织物各个变形模式对应的应变张量不变量，在此基础上给出相应的应变能密度函数，最终将建立同时考虑双拉耦合、拉剪耦合效应以及弯曲刚度的各向异性超弹性本构模型。利用该本构模型进行冲压成型数值模拟并结合相应的成型实验，探索成型工艺以及材料的耦合效应与弯曲刚度对织物冲压成型的影响规律，理解机织物冲压成型的力学基础，明确冲压成型中褶皱缺陷特征以及影响因素，揭示褶皱缺陷的形成机理。本研究结果可以为碳纤维机织物复合材料冲压成型工艺的优化奠定理论基础并可用于指导生产实践。

本项目针对复合材料热冲压成型中的力学基础问题开展研究，力求以连续介质力学、张量分析和微分几何为基础发展一套考虑碳纤维束面外弯曲、面内弯曲以及纤维束扭转的非线性大变形各向异性超弹性本构模型。揭示碳纤维编织物冲压成型过程中碳纤维束和复杂曲面的相互作用规律，并进一步探索成型过程中褶皱缺陷的形成机理。为碳纤维机织物复合材料冲压成型工艺优化奠定理论基础。对于评估成型复杂几何形状零部件可行性，开发先进复合材料制造工艺和技术，有着非常重要的实际意义。本项目的主要研究内容为：(1)将之前建立在平面上的针对纤维编织物的非正交坐标系推广到曲线坐标系下，以便能够描述纤维束和成型曲面的相互约束关系；利用曲面的第一基本张量和第二基本张量计算成型曲面的平均曲率、高斯曲率、法曲率以及曲面上纤维束的测地曲率和测地挠率，最终将碳纤维束面外弯曲变形，面内弯曲变形和扭转变形引入到纤维织物变形的描述中，建立考虑织物弯曲和扭转的非线性各向异性本构模型。(2)实施基本的编织物偏拉和弯曲变形实验，用以表征织物纤维束的面外弯曲，面内弯曲和扭转的变形特性，为本构模型提供相应的材料参数，并将该本构模型嵌入到有限元商用软件ABAQUS中去，为曲面复合材料构件的冲压成型工艺提供科学依据与理论支撑。本项目目前还处在理论推导和程序调试过程中，还未获得重要结果和发表文章。