连续碳纤增强B柱加强板结构设计与铺覆仿真

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2024.04.012

中国塑料 ›› 2024, Vol. 38 ›› Issue (4): 73-78.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2024.04.012

连续碳纤增强B柱加强板结构设计与铺覆仿真

姜曙¹^,², 王阳², 翟孟雷², 李庆涛²(), 黄明²(), 刘春太²

^1.河南工程学院土木工程学院，郑州 451191
^2.郑州大学橡塑模具国家工程研究中心，郑州 450002

收稿日期:2023-10-07 出版日期:2024-04-26 发布日期:2024-04-22
通讯作者: 李庆涛（1985—），男，实验员，博士，研究方向为聚合物成型工艺和模具优化， liqingtao@zzu.edu.cn
黄明（1978—），男，教授，博士，研究方向为聚合物加工数值模拟，huangming@zzu.edu.cn
E-mail:liqingtao@zzu.edu.cn;huangming@zzu.edu.cn
基金资助:
国家重点研发计划“变革性技术关键科学问题”重点专项(2019YFA0706802);深圳市科技计划(CJGJZD20210408092602006)

Structural design and overlay simulation of continuous carbon⁃fiber⁃reinforced B⁃pillar reinforced plate

JIANG Shu¹^,², WANG Yang², ZHAI Menglei², LI Qingtao²(), HUANG Ming²(), LIU Chuntai²

^1.College of Civil Engineering，Henan University of Engineering，Zhengzhou 451191，China
^2.National Engineering Research Center for Advanced Polymer Processing Technology，Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China

Received:2023-10-07 Online:2024-04-26 Published:2024-04-22
Contact: LI Qingtao, HUANG Ming E-mail:liqingtao@zzu.edu.cn;huangming@zzu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对连续纤维复合材料成型过程中在大曲率位置易导致纤维断裂、褶皱、撕裂等缺陷问题，本文基于连续纤维复合材料随模铺覆仿真方法，理论分析了铺覆起点、初始取向对铺覆效果的影响规律。以减少纤维成型缺陷为目标，开展了连续碳纤维增强复合材料B柱加强板的结构优化和铺覆优化设计，确定了面向热压成型工艺的B柱加强板几何结构和预浸料铺覆方式。通过分块铺覆优化，使0 °、90 °、45 °、-45 °的铺层不合格占比分别由45.18 %、52.83 %、72.21 %、71.78 %降至2.47 %、3.45 %、5.31 %、4.77 %，有效提高了连续碳纤维的随模铺覆性。基于优化的铺覆设计，成功试制出满足性能要求的B柱加强板。

关键词: B柱加强板, 连续纤维, 结构优化, 铺覆仿真, 复合材料

Abstract:

At present， the composites with short or long fibers as reinforcement have been widely used in automotive non⁃load⁃bearing parts. If the composites need to be further developed for the application in automotive main or secondary load⁃bearing parts， it is necessary to use continuous carbon fiber to improve their product strength and stiffness. However， in the forming process of continuous fiber⁃reinforced composites， the small elongation at break of carbon fiber makes it easy to cause molding defects such as fiber fracture， wrinkling， and tearing in the position of the large curvature. To solve this problem， the influence of the starting point and initial orientation of fiber laying on the overlay effect was analyzed theoretically through the simulation method of continuous fiber⁃reinforced composite laying with mold. To reduce fiber forming defects， the structural and overlay optimization design of continuous carbon⁃fiber reinforced B⁃pillar reinforced plate were carried out， and the geometry of B⁃pillar reinforced plate and the method of laying prepreg for the hot⁃pressing process were determined. Through the optimization of segmented overlay， the proportion of the unqualified layer at 0 °， 90 °， 45 °， and -45 ° was reduced from 45.18 %， 52.83 %， 72.21 %， and 71.78 % to 2.47 %， 3.45 %， 5.31 %， and 4.77 %， respectively. This indicated that the segmented overlay could effectively improve the lamination performance of the continuous carbon fiber. Based on the optimized overlay design， the B⁃pillar reinforced plate that meets the performance requirements has been successfully trial produced.

Key words: B?pillar reinforced plate, continuous fiber, structure optimization, overlaying simulation, composite

中图分类号:

TQ320.66

姜曙, 王阳, 翟孟雷, 李庆涛, 黄明, 刘春太. 连续碳纤增强B柱加强板结构设计与铺覆仿真[J]. 中国塑料, 2024, 38(4): 73-78.

JIANG Shu, WANG Yang, ZHAI Menglei, LI Qingtao, HUANG Ming, LIU Chuntai. Structural design and overlay simulation of continuous carbon⁃fiber⁃reinforced B⁃pillar reinforced plate[J]. China Plastics, 2024, 38(4): 73-78.

图/表 12

图1 模具型腔表面坐标网u⁃v的建立

Fig.1 Establishment of surface coordinate u⁃v for mold cavity

图2 面内相邻纤维的剪切变形

Fig.2 Shear deformation of adjacent fibers in the plane

图3 不同起点和取向下纤维铺覆效果对比

Fig.3 Comparison of fiber overlay effects with different starting points and orientation

图4 原钢制B柱加强板及表面特征

Fig.4 Steel B⁃pillar reinforced plate and its surface characteristics

图5 B柱加强板一次优化设计

Fig.5 First optimization design of B⁃pillar reinforced plate

图6 B柱加强板下端凸起区域铺覆仿真

Fig.6 Overlay simulation of bulge area at the lower end of B⁃pillar reinforced plate

项目	原钢制几何模型	一次优化模型	最终模型
边界数量	1 245	395	301
节点数量	783	244	184
面体数量	461	150	119

表1 模型优化前后对比分析

Tab.1 Comparative analysis before and after model optimization

图7 0 °、90 °、45 °、-45 °铺层优化前后铺覆效果

Fig.7 Overlay effects of the 0 °，90 °，45 °，-45 ° layering before and after optimization

铺覆形式	0 °铺层	90 °铺层	45 °铺层	-45 °铺层
整块铺覆	45.18 %	52.83 %	72.21 %	71.78 %
分块铺覆	2.47 %	3.45 %	5.31 %	4.77 %

表2 优化前后不同角度铺层不合格率对比

Tab.2 Unqualified rate comparison of different angle layering before and after optimization

B柱

类型

轴向拉伸/

轴向压缩/

侧向弯曲/

三点弯曲/

减重/

表3 复合材料B柱与钢制B柱变形量模拟结果

Tab.3 Deformation simulation results of composite B⁃pillar and steel B⁃pillar

图8 B柱加强板成型模具与制品。

Fig.8 Mold and products of B⁃pillar reinforced plate

环境友好高分子材料创新团队简介

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Structural design and overlay simulation of continuous carbon⁃fiber⁃reinforced B⁃pillar reinforced plate

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