征稿启事
在过去几十年中，汽车工业见证了材料的显著转变。在过去十年中，热固性连续碳纤维增强聚合物复合材料用于结构应用在工业界的应用越来越广泛。例如，最近BMW i3将基于碳纤维的热固性复合材料用于车身（BIW），其使用高压树脂传递模塑（HPRTM）制造。这些基于热固性碳纤维增强复合材料虽然非常坚硬，但也面临着各种各样的挑战，如相对较高的生产周期、不可回收性、HPRTM设备的资本支出增加以及其脆性行为。为改善这一现状，使用热成型工艺路线加工的热塑性连续碳纤维增强材料引起了行业研究人员的关注。
由于碳纤维增强热塑性复合材料的材料特性和机械行为与热成型过程存在内在耦合，导致结构中的纤维取向、厚度变化和残余应力不均匀。这些工艺诱导效应可对碳纤维增强热塑性复合材料结构的机械响应产生重大影响。有研究结果表明成型过程中冷却速率影响残余应力，从而影响机械性能。为了开发高性能、高质量的碳纤维增强热塑性复合材料结构部件，需要集成化的设计和制造优化方法。在现有的研究中，没有考虑冷却引起的残余应力，这会影响热成型产品在静态和动态载荷下的响应。对于碳纤维增强热塑性复合材料的热成型工艺，需要考虑所有相关工艺步骤的路径。
2022年，复合材料期刊《Composites Part B》发表了美国南卡罗来纳州克莱姆森市克莱姆森大学机械工程系、克莱姆森复合材料中心、材料科学与工程系在热成型工艺对碳纤维增强热塑性复合材料零件结构性能影响的最新研究成果，通过建立工艺响应路径评估复合材料零件性能，论文标题为”Thermoforming process effects on structural performance of carbon fiber reinforced thermoplastic composite parts through a manufacturing to response pathway temperatures ”。
碳纤维增强热塑性复合材料的热成型工艺在减少大规模生产循环时间方面有很大优势，但它可能会因成型不良而对零件的结构性能产生影响。这需要开发一种优化的制造工艺，该工艺将结构中引入的噪声因素最小化，从而实现目标机械性能。MTR途径在确定机械性能的同时考虑了热成型过程中的诱导效应，主要包括材料表征、有限元模拟和实验验证。论文中选择的复合材料系统为尼龙-6（PA6），使用各向异性超弹性材料模型在PA6熔体温度以上进行热成型模拟，并从分析中获取工艺诱导效应，如厚度变化、纤维取向和残余应力。通过经典层压理论（CLT）预测了在高温淬火冷却过程中形成的在产品结构中产生的残余应力。然后将这些结果映射到适当网格划分的复制零件上，以进行机械性能分析。进行了准静态三点弯曲试验和动态冲击试验，并将结果与试验结果进行了比较。热成形、弯曲和动态冲击试验的实验结果与模拟结果一致。论文中为热成型连续碳纤维增强尼龙6（PA6）复合材料不对称拱形结构端到端分析建立了完整的制造响应（MTR）路径。
2.1制造响应（MTR）路径
图1.制造响应（MTR）路径
图1显示了MTR路径的总体框架，其主要由以下五个工艺步骤组成：①通过实验表征试样水平的材料特性，用于数值模拟（如热成型和冷却模拟、残余应力分析和机械分析）。②包括热成型实验和模拟，实验结果验证了从模拟获得的纤维取向和厚度的变化。③包括淬火冷却实验、瞬态冷却分析和冷却引起的残余应力计算。④通过使用映射程序，将预测的残余应力、厚度变化和纤维重新定向纳入静态和动态有限元设置。⑤静态和动态载荷条件下的机械响应的数值评估与实际验证。在论文中，考虑了准静态三点弯曲试验和动态冲击跌落塔试验，通过比较变形、应力和破坏特征，验证过程对机械响应的影响。
2.2用于材料表征和模型验证的实验装置
论文中选用的材料是1.97mm厚的碳纤维增强PA6斜纹编织层压板。纤维体积含量为50%，考虑到材料的平衡编织，假设在经纱和纬纱方向上的面内特性相等。如图2所示，试样具有三个变形区。试验过程中，A区基本上保持未变形，而B区则经历拉伸和剪切变形，C区经历用于确定复合材料剪切特性的纯剪切变形。
实验测定了所研究复合材料的热性能，包括导热率、比热容和热膨胀系数（CTE）。表1中列出了实验获得的热性能。计算残余应力需要材料的温度相关弹性模量，数据如表2所示。
表1.用于冷却分析的材料特性
表2.热塑性碳纤维复合材料的平均机械性能
根据ASTM D 6641对样品进行压缩试验。将单轴应变计粘结在样品的每一侧，以测量两侧的应变，确保没有屈曲，测试材料性能如表2所示。通过使用热成型工艺制造复合材料拱形结构，然后进行机械试验，验证了本研究中提出的MTR路径。然后将实验测量结果与数值结果进行比较。
图3.（a）热电偶数据采集系统、液氮冷却、材料处理系统（b） 热成型装置（铜冷却通道、热电偶位置和热成型拱形结构）
拱形结构热成型：热成形装置包括冲头和冲模和在图3（a）所示热室中的压边装置。通过模具中的铜质冷却通道注入液氮，以便将形成的结构淬火冷却至室温。冷却阶段冲头、冲模和拱形结构的热电偶读数如图4所示。淬火冷却的目的是证明工具冷却速度对结构中残余应力形成的影响。
三点弯曲试验：如图5（a）所示，使用Plexus MA 530粘合材料将拱形结构样品粘合到0.5mm厚的编织碳纤维复合片材。图5（b）所示为结合帽结构准静态三点弯曲试验的实验装置。
动态试验：拱形结构固定在铝板中，如图5（c）所示，以固定帽结构的凸缘。测试在缓冲试验机上进行，该试验机配备了数据分析软件和高速摄像机。在三个样品上进行动态试验，平均跌落速度为4.3 m/s。
2.3建模路径
热成型模拟过程分为两个步骤：①使用坯料在成形温度下的材料特性进行热成形模拟（264◦C），②在封闭模具中进行冷却分析，直到达到室温条件。进行热成形模拟的有限元设置如图6所示，它由冲头、模具和四个夹具组成。使用薄壳单元将模具建模为刚体。热成型模拟是使用Radios（Altair Engineering开发的有限元求解器）进行的。在分析中，假设仅在加载过程中（冲头向模具移动），片材变形中消耗应变能，未考虑未加载效应。在热成形过程中，当仍然由冲头和冲模保持成形零件冷却到工作温度时，会产生内部残余应力。这些应力主要是由于中心层和表面层之间冷却速率的差异而产生的，从而导致整个厚度的热梯度。论文中提出的MTR路径侧重于宏观建模方法，以降低计算成本。
传热分析：图7（a）示出了全球坐标系（x，y，z）中的模型设置，其中层压拱形结构在冷却过程中受到冲头和模具的约束，三维传热分析可以简化为二维（x，y）分析，以提高计算效率，如图7（b）所示。层压拱形结构的离散化如图7（c）所示。图8提供了指定用于实验和模拟的层压叠层的表格。冲头和冲模的温度数据如图9所示。表1中列出了用于该分析的材料特性。温度数据以ASCII格式记录，并在MATLAB脚本中进一步用于计算通过层压板厚度的残余应力演变。
残余应力的测定：层压复合材料结构中由于厚度热梯度引起的残余应力可通过基于增量经典层压理论分析确定，该分析是通过使用MATLAB脚本来实现。以全局坐标系（x，y，z）定向，如图10（a）所示。图10（b）示出了任意选择的具有厚度的第k层。提取每个离散层压板的整体残余应力并以ASCII格式保存。该分析所需的材料特性列于表1和表2中。
在当前的研究中，工艺引起的影响，如厚度变化、纤维重新定向和残余应力被映射到适合于力学分析结构网格单元上。对于热成型结果，Altair Hyperworks软件中的“结果映射器”工具用于执行结果映射程序。对于残余应力，开发了用于映射的MATLAB脚本。在论文中，进行了准静态三点弯曲试验和动态冲击试验，以验证MTR路径。使用LS-DYNA求解器进行有限元分析。
准静态三点弯曲试验：图11（a）显示了由热成型复合材料部件、刚性冲击器和两个直径为10mm的刚性圆柱支撑，构成的有限元模型设置。
动态冲击试验：在LS-DYNA中，通过以4.3 m/s的冲击速度将3.1 kg的刚性圆柱体撞击到拱形结构上，模拟了具有28.75J冲击能量的冲击试验。图11（b）显示了冲击试验的有限元模型设置。为了模拟复合材料，使用增强复合材料损伤材料模型MAT54。图11（b）显示了拱形结构基于区域的表示，其中每个着色区域表示LS-DYNA部分复合材料，其体现了复合层压材料的堆叠顺序。
静态分析：通过设置如图12所示的六种静载荷情况来实现的，在LS-DYNA中建立了求解线性静力问题的隐式有限元分析。测量并比较所有情况下的相应挠度。
动态分析：在LS-DYNA中，对热成型拱形结构进行动态冲击试验模拟，为了进行数值研究，模拟了更高能量冲击57.5J。通过使用6.22 kg的刚性板冲击器和4.3 m/s的冲击速度（如图13所示）模拟更大的接触面积冲击试验。边缘保持固定，底部增加刚性支撑，防止其倒塌。
热成型结果（厚度变化和纤维取向）：图14显示了三次试验的平均厚度，测量厚度和预测厚度之间的比较显示出良好的一致性。图15显示了从实验和模拟获得的纤维取向的比较，其中测量了两个纤维方向之间的角度变化，与数值结果进行比较，显示出良好的一致性，最大差异为3.3%。
图16.模型预测数据验证残余应力（a）表面层和中心层的横向残余应力演变（b）比较t=60秒时通过层压板厚度的横向残余应力分布
残余应力：论文中展示了表面层和中心层在横向（垂直于纤维方向）上的残余应力演变，并用于与图16（a）所示的工作进行比较。通过数据拟合得到曲线，如图16（b）所示。结果表明，残余应力模型得出的结果与参考文献中的模型预测数据相当好。结果的差异可以归因于在这里的残余应力模型中没有考虑结晶度对材料性能的影响。
为了说明残余应力的演变，考虑图17（a）所示的离散化层压板。如图9所示，冲头和冲模具有不同的冷却速率。结果表明，与模具（SD）直接接触的层和与冲头（SP）接触的层以不同的方式冷却。在图17（b）中可以观察到这种不对称性。在图17（d）中，可以更好地理解冷却期间中心层与表面层之间的温差。在图17（c）中，在SD和SP层中观察到增量拉伸应力，而在中心层中观测到压缩应力。图18显示了3D层压帽结构的中心和表面层SD和SP上残余应力分布的等高线图。如图18所示，每个离散层压板沿z轴的残余应力大小是均匀的。
机械性能验证：①准静态试验验证，论文中介绍了热成形拱形结构在准静态三点弯曲试验下的实验和数值性能。图19（a）显示了三个实验试验的力-位移图，将力-位移响应与图19（b）中的平均实验结果进行比较，结果表明与实际一致。如图20（a）所示，在拱形结构的冲击位置观察到大变形，并且将数值损伤预测与三个实验试验进行比较。图20（b）显示了拱形结构的俯视图以及冯·米塞斯应力结果，损伤行为与实验结果一致。②动态冲击试验验证，论文中讨论了拱形结构在动态冲击试验中的实验和数值性能。图21（a）中显示了三个实验试验的力-时间图。将拱形结构中发生的实验损伤与图22（b）中的数值预测进行比较。圈出的区域显示了实验和模拟中相似的损伤位置。表4给出了试验和数值动态冲击试验的峰值力和积分值。
制造工艺对静态和动态响应的影响主要包含以下三个方面：
①厚度变化：六种静态荷载工况的静态响应如表5所示。对两种厚度变化的冲击性能进行评估，冲击载荷情况的力-位移曲线如图23所示。图24中给出了未映射情况下拱形结构渐进变形。在图23中的力-位移图中也可以观察到这种效应，其中力在回弹之前增加到更高的值。
②纤维取向变化：对具有复杂几何形状的部件进行热成形可能导致成形部件上的纤维取向发生较大变化。三种情况下的纤维取向分布如图25所示。对六种静态荷载情况进行数值试验，响应如表6所示。
③冷却速率变化：论文中讨论了冷却速率变化对静态和动态性能的影响。为了比较，计算了两种冷却速率下的残余应力，然后将这些应力映射到拱形结构网格单元，以评估静态和冲击性能。拱形结构上的平均von Mises应力等值线图如图28所示。图29中给出了不同冷却速率情况下的力-位移图。观察到，所有情况下的初始刚度相似，但峰值力随着冷却速率的升高而下降。
论文中建立了碳纤维增强热塑性复合材料的MTR途径。该途径包括六个步骤：①材料表征和建模、②热成形模拟与实验验证、③冷却模拟、④残余应力确定、⑤热成形效应映射，如纤维取向，厚度变化和残余应力、⑥力学性能评估。该路径通过直接将制造过程效应与机械响应联系起来，满足了集成轻质热塑性复合材料零件设计和制造的关键要求。此外，数值研究了热成型过程中的大变化对残余应力、纤维取向变化和厚度分布等因素的影响。对不同情况下的静态和动态性能进行评估。
根据目前的限制，可以对MTR途径进行进一步改进。首先，可以对工艺步骤完全自动化路径，以便进行制造和设计优化。其次，通过实施适当的本构定律，可以提高粘弹性域中残余应力计算的精度。第三，由于微观、宏观和整体效应，结构中产生的累积残余应力可通过残余应力测定实验进行合并和验证。
原始文献：
Madhura Limaye，Sai Aditya Pradeep，Anmol Kothari，Sushil Savla，Akshat Agha，Srikanth Pilla，Gang Li，Thermoforming process effects on structural performance of carbon fiber reinforced thermoplastic composite parts through a manufacturing to response pathway ，Composites Part B: Engineering，Volume 235, 15 April 2022, 109728, https://doi.org/10.1016/j.compositesb.2022.109728
原文链接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1359836822001135
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