玻璃纤维毡增强热塑性材料的成形性研究

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纤维增强热塑性复合材料在航空航天、汽车、电力、运输等领域得到了广泛应用,特别是玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)与其他材料如注塑成型复合材料、薄板成型复合材料、金属等相比具有很多优点,如加工时间短、比强度高、可回收利用、重量轻、高刚性等,能够达到减重、减震、降噪目的,在汽车行业的应用也越来越广。玻璃纤维毡增强热塑性复合材料(GMT)的应用80%以上都用于汽车行业,如汽车的车身、汽车的前端模块、汽车座椅骨架、汽车的前后横梁、保险杠、电池托架、仪表板等。GMT材料成型简单成本低,利于专业化、大批量生产,研究其成形性具有重要意义。本文通过热冲压成型实验以及冲压成型有限元模拟,研究了GMT材料的成形性。首先,根据美国ASTM标准,对玻璃纤维毡增强聚丙烯(GMT-PP)以及玻璃纤维毡增强聚酰胺(GMT-PA)进行拉伸实验以及弯曲实验,并对试样上的载荷与试样的长度信息进行采集,分析了不同温度下拉伸力的大小与拉伸长度的关系,计算了拉伸强度、拉伸模量、弯曲强度、弯曲模量等材料力学参数,为成形性实验以及有限元模拟提供了参考。其次,选取基体材料为PA和PP的两种GMT材料,进行了冲压成型实验。以温度作为变量,研究不同温度下材料能够成形的成形极限。为了保证冲压实验的顺利进行,设计了冲压的模具并进行了实验,分析了温度、冲压深度等因素对GMT成形性的影响。第三,基于有限元软件ABAQUS,根据粘弹性理论及GMT的力学性能参数,对GMT-PP进行了冲压成型模拟,得到了冲压深度与冲压力关系的曲线,并与实验结果进行对比分析,验证了其本构模型选取的合理性,分析了冲压力对其成形性的影响以及损伤最大点可能出现的位置,为类似材料的成形研究提供参考。
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