熱塑性聚烯烴類復合材料本構建模與力學性能仿真.pdf

1、汽車輕量化是實現(xiàn)節(jié)能和環(huán)保的主要措施之一，使用輕量化的工程塑料可以有效減輕汽車重量。為了進一步擴大工程塑料在汽車上的使用量，近年來開發(fā)了以聚丙烯PP(Polypropylene)為基體、彈性體和無機粒子等為添加相的三元共混材料，該共混物被稱為熱塑性聚烯烴TPO(Thermoplastic olefin)復合材料。TPO復合材料具有良好的尺寸穩(wěn)定性、耐沖擊性以及高強度等優(yōu)異的力學性能，正向著服役條件比較苛刻的汽車構件擴展，成為汽車用工程塑

2、料的重要發(fā)展方向。為了理解復合材料力學性能與添加相和變形條件的耦合關系，達到材料組分的優(yōu)化設計，有必要開展TPO材料力學性能研究；同時數(shù)值仿真技術是部件服役性能評價和汽車安全性分析的主要方法，為此需要合適的材料力學本構模型。目前，現(xiàn)有的復合材料本構模型不能準確描述該類TPO復合材料在大變形和高應變速率條件下的各相耦合力學行為以及各相性能對復合材料綜合力學性能影響。因此，需要建立適用描述各種變形條件且能反映組分影響的TPO復合材料的力學本

3、構模型。
　　 本文以車用新型TPO復合材料為研究對象，采用實驗分析和數(shù)值仿真相結合手段，對該TPO材料在大變形過程中的力學性能進行了詳細研究。實驗揭示了變形條件和添加物含量對TPO材料力學性能的影響規(guī)律；采用細觀力學模型、分子網(wǎng)絡理論和切線模量計算方法，建立了TPO復合材料的大變形本構模型，并通過用戶子程序把本構模型嵌入ABAQUS/Explicit模塊中，為研究該TPO復合材料的虛擬碰撞變形提供仿真平臺。具體開展了以下幾個方

4、面的研究工作：
　　 (1)TPO復合材料力學性能實驗研究
　　 針對汽車用復合材料的應用環(huán)境，對TPO復合材料和PP基體進行了相關變形條件下的力學試驗研究。通過低速拉伸試驗研究了材料在不同變形條件下的靜態(tài)力學性能；通過動態(tài)彎曲試驗和高速拉伸試驗研究了材料的動態(tài)力學特征。揭示了該類TPO材料具有典型的線性彈性變形、屈服和非線性應變硬化變形行為，并具有明顯的組分份數(shù)、應變速率和溫度相關性。PP基體則表現(xiàn)出很強的脆性。實驗結

5、果為理解TPO復合材料和基體的力學性能，以及為材料力學本構建模提供了基礎。
　　 (2)TPO復合材料本構建模和理論基礎研究
　　 在上述實驗結果的基礎上，對TPO復合材料大變形條件下的力學本構模型進行了建模研究。首先，分析了TPO類復合材料的變形機理。其次，通過分子鏈變形演變理論描述了基體變形行為，并通過彈性理論描述了添加相的變形行為。最后，通過細觀力學模型耦合各組分的力學行為，提出了具有明確物理意義的TPO復合材料本

6、構模型，通過與實驗對比，驗證了模型的準確性。該本構模型能夠統(tǒng)一地表征出聚丙烯/彈性體/無機粉體類復合材料的大變形力學行為，具有一定的適用性，為描述該類材料的變形行為提供了理論基礎。
　　 (3)TPO復合材料變形仿真分析與實驗驗證
　　 通過材料用戶子程序開發(fā)，將提出的本構模型嵌入有限元分析軟件ABAQUS/Explicit模塊中，建立了TPO復合材料動態(tài)大變形數(shù)值仿真系統(tǒng)。以此為基礎，數(shù)值分析了TPO復合材料在多種變形

7、條件下的變形行為，得到了聚合物特有的頸縮與頸縮傳遞等變形特征。通過與實驗結果對比，驗證了該仿真方法的工程可靠性，該研究成果可為TPO材料產(chǎn)品設計和安全分析提供有效方法。
　　 (4)典型TPO復合材料構件碰撞仿真研究
　　 采用建立的仿真方法，對三點彎曲變形進行了數(shù)值仿真。與實驗對比表明，建立的仿真系統(tǒng)可以預測不同變形狀態(tài)下TPO復合材料實際變形特征。同時，也開展了典型TPO復合材料構件沖擊響應與力學性能數(shù)值預測。清晰地

8、模擬了箱蓋的碰撞變形過程和不同沖擊速度、不同沖擊角度條件下的力學性能，為TPO吸能部件的汽車被動安全模擬提供了可行的有限元工具和參考價值。
　　 本文在充分吸收和借鑒前人研究成果的基礎上，以實驗和數(shù)值仿真的方法對TPO復合材料的力學性能進行了深入探討，揭示了組分和變形條件對其變形過程力學性能的影響規(guī)律，提出了具有明確物理意義的本構模型，建立了TPO復合材料大變形條件的數(shù)值仿真系統(tǒng)，對指導實際產(chǎn)品開發(fā)和安全性分析，提高產(chǎn)品的設計效