碳纤维复合板材超声振动热冲压变形行为的研究

碳纤维复合材料（CFRP）具有密度低、比强度高、比模量大、抗疲劳及可设计性强等特点，是汽车结构轻量化的理想材料。然而传统工艺的成形效率低、成本高、不适合大批量生产，限制其在汽车领域的大规模应用。本项目研究的碳纤维增强复合材料热冲压技术，是直接采用模具加热板料并进行冲压成形的新工艺方法，可完成复合材料壳体零件的一步成形，具有设备成本低、成形效率高、表面质量好、便于大批量生产等优点。本项目工作主要采用理论分析、有限元数值模拟和实验研究相结合的方法开展进行。主要研究内容如下： （1）揭示碳纤维复合材料板的冲压变形机制，建立了相关成形理论。通过对双层碳纤维增强PC/ABS树脂基复合材料板进行不同温度的单向拉伸、斜拉伸以及摩擦试验，得出了板料沿纤维方向0°及45°方向的力学性能，并研究了碳纤维复合材料超声振动弯曲成形工艺。 （2）完成了对球形件和盒形件热冲压实验装置的研制，并开展了热冲压成形实验。研究了成形温度等主要工艺参数对成形质量的影响，确定出合理成形温度区间为130℃-150℃。根据制件成形质量及内部缺陷检测，探明了褶皱产生机理及成形极限。 （3）研制出一台可直接成形厚0.5-2mm和宽60-120mm试件的碳纤维复合材料红外局部加热辊弯成形样机，并进行了有限元仿真与实验研究，得出合理辊弯速度为4-8mm/s。 （4）研制出一条碳纤维复合材料汽车覆盖件热冲压成形线，成功试制出了发动机罩等比例件（350mm×450mm），成形节拍<2分钟。通过有限元模拟和实验研究了温度对成形件成形质量的影响规律。 本项目共发表论文9篇，其中SCI论文5篇(2篇已接收)，授权发明专利6项，获得新装置2台，并开发出了成形生产线。以上研究工作可为复杂形状碳纤维复合材料车身覆盖件成形工艺方案的确定和成形质量的控制，提供必要的理论依据及方法支撑，有助于推动 CFRP 在我国汽车工业中的规模化应用、提高车辆轻量化和经济性，具有重要学术意义和工程应用价值。 2100433B

汽车轻量化对碳纤维增强树脂基复合材料制造的板材零件需求日益增加，现有的手工铺层、热压罐、树脂传递模塑成形等工艺方法耗时长、效率低、成本高，仅适用实验室及小批量试制。本项目提出了适用于碳纤维增强树脂基复合材料板材工业化批量生产的新工艺：将该板材在具有超声振动的加热模具作用下直接冲压成形。本项目建立了碳纤维复合材料板材超声振动热冲压力学模型，揭示了该新型板材热冲压成形的变形机理；获得了超声振动施加时振幅、频率和温度等因素对复合材料流动和接触面摩擦的影响规律；研究了碳纤维增强树脂基复合材料板材超声振动热冲压时的细观与宏观力学行为；建立了该复合材料的多场耦合热态冲压过程模拟有限元模型，揭示了该复合材料板材本身纤维剪切角对其冲压时起皱、破裂失效及工件机械性能的影响机制；开展复合材料板材的超声振动热弯曲和拉深实验研究，获得了工艺参数对其冲压质量的影响规律与合理的工艺参数。

硼钢板在高温奥氏体状态下的变形行为及其马氏体相变研究对掌握同步淬火热冲压成形核心技术具有重要意义。通过硼钢板的高温单拉试验及TEM等试验分析其高温变形机制，建立高温下硼钢板的动态回复动力学模型及相应的本构关系式。据此，结合金属塑性失稳理论对硼钢板的热成形极限进行理论研究，并通过高温成形极限试验进行验证，获得适用于硼钢板高温奥氏体状态下的成形极限理论；深入分析造成高温下硼钢板独特塑性失稳方式的影响机制。结合材料测试分析实验，分析不同变形工艺条件（加热工艺、变形温度、变形量、应变率、冷却速率等）对硼钢板马氏体相变温度、马氏体转变分数、马氏体形貌等的影响，根据马氏体相变热力学及动力学对其进行深入分析。对变形后的硼钢板试件再进行常温单拉试验和硬度测定等试验，研究不同工艺条件对热变形后的硼钢板再变形能力、强度以及硬度等的影响。

硼钢板在高温奥氏体状态下的变形行为及其马氏体相变研究对掌握同步淬火热冲压成形核心技术及其机理具有重要意义。本项目基于硼钢板的高温拉伸试验及TEM 等试验分析其高温变形机制，建立了高温下硼钢板的动态回复动力学模型及相应的本构关系式。据此，结合金属塑性失稳理论对硼钢板的热成形极限进行理论的研究，并通过高温成形极限试验，获得适用于硼钢板高温奥氏体状态下的成形极限理论；深入分析了造成高温下硼钢板独特塑性失稳方式的影响机理。结合材料测试分析实验，研究了不同变形工艺条件（加热工艺、变形温度、变形量、应变率、冷却速率等）对硼钢板马氏体相变温度、马氏体转变分数、马氏体形貌等的影响，根据马氏体相变热力学及动力学对其进行了深入分析。对变形后的硼钢板试件进行常温单拉试验和硬度测定等试验，研究了不同工艺条件对热变形后的硼钢板再变形能力、强度以及硬度等的影响规律性。项目在国内外核心期刊发表署名本课题资助的论文11篇，其中SCI收录7篇，单独EI收录4篇，出版“金属板材热辅助塑性成形理论”专著一本（计划2014年上半年）。 另外，课题组申请中标2014年国家自然基金面上项目一项：《热冲压硼钢板基因的选择性表达及其在力学性能预测中的应用》（项目批准号：51375346）。

在钻探领域，硬岩钻进存在钻进效率低、钻头寿命短、钻井成本高等问题。超声波振动作用可使岩石内部快速产生损伤或裂纹，岩石强度大幅度下降，从而降低破碎难度，提高岩石破碎效率。通过采用数值模拟方法，对超声波振动破碎硬岩过程进行模拟分析，从理论上探索超声波振动下岩石裂纹的形成与扩展规律，运用试验研究手段，探究静压力、振动时间、振动力、振动频率等超声波振动参数对岩石破碎效果的影响，获取各参数的最优取值区间。经研究，成功研制了超声波振动钻进实验装置，通过理论分析、数值模拟与试验相结合的研究方法，以岩石的细观损伤力学为基础，结合疲劳破碎理论、共振碎岩理论，分析岩石在超声波振动下的受力过程、力与岩石裂纹形成的关系，建立了超声波振动过程及花岗岩裂纹变化特性的数学模型数学模型，发现岩石胁迫响应的振幅与施加载荷的幅值成比例并得出公式。运用有限元软件、离散元软件对超声波振动岩石内部裂纹的动态演化过程进行建模计算得出了演化机理，发现拉伸破坏是裂纹失效的主要机制，扩展多沿与载荷加方向平行方向，且沿与加载方向成60°方向。基于核磁共振检测、热红外成像、渗透探伤法和数字图片处理技术等检测技术开展超声波振动实验，获取了超声波振动碎岩的裂纹衍生规律，发现岩样内的孔隙随超声波振动次数的变化呈现出弹性形变、起裂扩展、贯通破坏三个阶段，探究了振动碎岩参数对碎岩效果影响，发现振幅、静压力、时间均存在阈值，选取高于阈值的振动参数及接近固有频率的振动频率，能够获得最优的超声波振动碎岩效果。通过研究获取了岩石在超声波振动下的强度下降的规律、岩石损伤规律、最优碎岩振动参数，补充了领域空白，为超声波振动技术在工程实践中解决硬岩钻进难题提供理论支撑和技术指导，具有较大的实际意义与应用价值。 2100433B