1.1 試驗(yàn)材料與結(jié)構(gòu)

試樣采用日本東麗公司生產(chǎn)的T700SC12K碳纖維，表層為12K斜紋編織結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為[0/90]軸向編織布；采用德國(guó)NiroCell公司生產(chǎn)的TL2009AC /TL2009BC環(huán)氧樹脂體系作為基體，采用真空輔助樹脂灌注工藝制備單層級(jí)試樣及元件。

1.2 試驗(yàn)方法與參數(shù)定義

汽車碳纖維復(fù)合材料引擎蓋單層級(jí)試樣準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)通過(guò)Instron5982萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，分別測(cè)量單向材料0°拉伸并與CAE仿真對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證單層級(jí)試樣的仿真偏差。

汽車碳纖維復(fù)合材料引擎蓋典型U形梁結(jié)構(gòu)準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎試驗(yàn)通過(guò)Instron5982萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，分別測(cè)量[0°/90°]交替鋪層拉伸性能并與CAE仿真對(duì)標(biāo)，驗(yàn)證典型結(jié)構(gòu)試樣的仿真偏差。

汽車碳纖維復(fù)合材料引擎蓋部件級(jí)試驗(yàn)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)進(jìn)行，分別針對(duì)元件進(jìn)行臺(tái)架模態(tài)試驗(yàn)，臺(tái)架外板抗凹試驗(yàn)，驗(yàn)證并考核汽車碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的安全。其中臺(tái)架模態(tài)試驗(yàn)標(biāo)定方法參見GB/T11349.2—2018《機(jī)械導(dǎo)納的試驗(yàn)確定用激振器作單點(diǎn)激勵(lì)測(cè)量》中6.4。

本次試驗(yàn)?zāi)康氖菧y(cè)試其自由模態(tài)，即試驗(yàn)對(duì)象在任一坐標(biāo)上都不與地面相連，可以放在支架上或利用柔索將試件吊起，或在實(shí)際支承條件下進(jìn)行試驗(yàn)。首先安裝試件以及激振器和傳感器，然后連接激振器與激勵(lì)信號(hào)源通道，再連接測(cè)量通道與數(shù)據(jù)采集處理通道，進(jìn)行激勵(lì)系統(tǒng)和測(cè)量系統(tǒng)調(diào)試。其次是測(cè)量和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)系統(tǒng)標(biāo)定。標(biāo)定時(shí)，測(cè)量系統(tǒng)各儀器單元的參數(shù)應(yīng)與試驗(yàn)時(shí)參數(shù)設(shè)置一致。通過(guò)預(yù)試驗(yàn)檢查系統(tǒng)運(yùn)行是否正常，激勵(lì)點(diǎn)和測(cè)量點(diǎn)位置是否合適。最后采集數(shù)據(jù)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行辨識(shí)，計(jì)算模態(tài)頻率。

1.3 有限元建模

有限元建模使用的材料性能參數(shù)如表1所示。

其余連接件材料參數(shù)如表2所示。

2.1 CAD設(shè)計(jì)及鋪層設(shè)計(jì)

圖1為常規(guī)金屬引擎蓋內(nèi)外板示意圖。基于前期CAE設(shè)計(jì)結(jié)果、材料屬性和減重要求，確定碳纖維復(fù)合材料引擎蓋設(shè)計(jì)選擇如下：去除內(nèi)板加強(qiáng)板，保留車身鉸鏈，鉸鏈加強(qiáng)板，鎖扣加強(qiáng)板區(qū)域原金屬模型和材料。碳纖維復(fù)合材料引擎蓋整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖3及圖4為碳纖維復(fù)合材料引擎蓋內(nèi)外板示意圖。碳纖維復(fù)合材料引擎蓋外板采用6層單向帶加最外表面一層斜紋織物的鋪層方案，總厚度1.62mm；碳纖維復(fù)合材料引擎蓋內(nèi)板采用4層單向帶，總厚度0.88mm。鋪層信息如表3所示。

根據(jù)復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在碳纖維復(fù)合材料引擎蓋內(nèi)外板添加折彎導(dǎo)潰區(qū)以及搭接區(qū)，其中導(dǎo)潰區(qū)為2層鋪層(4層減半)，搭接區(qū)為8層鋪層(4層對(duì)稱)，碳纖維復(fù)合材料引擎蓋內(nèi)外板示意圖鋪層次序以及各層角度如表3所示。

2.2 準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)結(jié)果與仿真

網(wǎng)格劃分是建立在有限元模型上的中心工作，模型的合理性在很大程度上由網(wǎng)格形式?jīng)Q定，在劃分網(wǎng)格時(shí)應(yīng)盡量避免使用小尺寸單元，這是由于小尺寸單元會(huì)極大降低時(shí)間步長(zhǎng)，從而使模擬需要更長(zhǎng)的時(shí)間。本文采用4節(jié)點(diǎn)積分單元，從而避免了特殊幾何模型導(dǎo)致的極限步長(zhǎng)偏小的問(wèn)題。

準(zhǔn)靜態(tài)拉伸試驗(yàn)和仿真數(shù)值對(duì)比如圖5所示，由圖5可知：仿真與試驗(yàn)載荷位移曲線趨勢(shì)相一致；最大載荷非常接近，CAE分析值為37.24kN，試驗(yàn)值為36.69kN，CAE分析最大載荷與實(shí)際最大載荷偏差為1.50%；位移形變也較為接近，CAE分析值為3.14mm，試驗(yàn)值為3.19mm，CAE分析最大位移與實(shí)際最大位移偏差為1.57%。試驗(yàn)與仿真存在一定偏差的主要原因：拉伸模量受失效分析方法影響較大，仿真分析模量基于固定載荷下的微小形變，而試驗(yàn)采用載荷衰減失效方式計(jì)算。

2.3 準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎試驗(yàn)結(jié)果與仿真

準(zhǔn)靜態(tài)三點(diǎn)彎試驗(yàn)和仿真數(shù)值對(duì)比如圖6所示，由圖6可知：仿真彎曲與試驗(yàn)載荷位移曲線趨勢(shì)相一致；U形梁的最大載荷非常接近，CAE分析值為3600N，試驗(yàn)值為3594N，CAE分析最大載荷與實(shí)際最大載荷偏差為0.17%；U形梁的位移形變也較為接近，CAE分析值為12.03mm，試驗(yàn)值為11.87mm，CAE分析最大位移與實(shí)際最大位移偏差為1.34%。仿真與試驗(yàn)出現(xiàn)偏差主要來(lái)源于兩方面：一方面，三點(diǎn)彎曲跨距值取決于樣板厚度，成型前后比復(fù)合材料板材厚度變化稍有差異，而仿真計(jì)算則通過(guò)單層層合板疊加鋪層，最終跨距計(jì)算存在誤差；另一方面，彎曲上下壓頭表面與測(cè)試樣板之間存在固有摩擦，屬于系統(tǒng)誤差。

2.4 模態(tài)及抗凹試驗(yàn)結(jié)果與仿真

模態(tài)試驗(yàn)設(shè)備一般包括激勵(lì)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)三部分，基本配置如圖7所示。

自由模態(tài)試驗(yàn)的測(cè)試夾具如圖8所示，由圖8可知：發(fā)動(dòng)機(jī)蓋處于關(guān)閉狀態(tài)，車身鉸鏈SPC1~6，鉸鏈旋轉(zhuǎn)軸可繞y向旋轉(zhuǎn)；車身側(cè)支撐桿SPC1~6，鎖扣SPC23，內(nèi)板前端4個(gè)bumper點(diǎn)SPC3。在底部臺(tái)架安裝激勵(lì)，采集監(jiān)測(cè)點(diǎn)(3個(gè))激勵(lì)響應(yīng)。實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線分別在37.5、37.0、38.0Hz第一次出現(xiàn)波峰。

碳纖維復(fù)合材料引擎蓋的模態(tài)試驗(yàn)CAE仿真結(jié)果如圖9所示?；贑AE分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋第一階彎曲模態(tài)頻率為37.7Hz。實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)3個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)響應(yīng)曲線分別在37.5、37.0、38.0Hz第一次出現(xiàn)波峰，所以碳纖維復(fù)合材料引擎蓋實(shí)際模態(tài)試驗(yàn)的第一階彎曲模態(tài)頻率為37.5Hz。碳纖維復(fù)合材料引擎蓋CAE分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋第一階彎曲模態(tài)頻率與實(shí)際第一階彎曲模態(tài)頻率的偏差為0.53%。

抗凹剛度試驗(yàn)的測(cè)試夾具如圖10所示，按照?qǐng)D10所示在外板關(guān)注點(diǎn)(P1至P7)上采用25mm×25mm的方形壓頭，垂直載荷150N然后對(duì)卸載的邊界條件進(jìn)行約束。

碳纖維復(fù)合材料引擎蓋外板的抗凹試驗(yàn)CAE仿真結(jié)果如圖11所示。基于CAE分析發(fā)動(dòng)機(jī)蓋外板P4點(diǎn)位移CAE分析最大值為7.847mm，外板實(shí)際試驗(yàn)P4點(diǎn)位移試驗(yàn)最大值為7.57mm，CAE分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的偏差為3.7%。

表4為碳纖維復(fù)合材料引擎蓋外板抗凹試驗(yàn)7個(gè)點(diǎn)CAE分析結(jié)果與實(shí)際結(jié)果的對(duì)比。與試驗(yàn)相比較，CAE分析結(jié)果相對(duì)偏小，最大偏差和最小偏差分別為39.2%(P1)和3.7%(P4)。試驗(yàn)與仿真存在一定偏差的主要原因：仿真測(cè)試的固定較為理想化，而試驗(yàn)中采用的聯(lián)合加載卡具存在螺栓滑絲因素，影響整體受力效果；另一方面仿真施加力過(guò)于理想，直接作用樣品，而試驗(yàn)通過(guò)夾具與樣品之間的摩擦間接施加縱向彎曲力。