纤维增强复合材料板簧的结构分析与试验研究综述外文翻译资料

 2022-01-11 09:01

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纤维增强复合材料板簧的结构分析与试验研究综述

摘要

板簧是轮式车辆悬架常用的一种简单弹簧形式。减重是汽车工业面临的主要问题，减轻重量可以通过设计新材料和复杂的制造工艺来实现。近几十年来，随着竞争的加剧和技术的不断创新，汽车工业对用纤维增强复合材料板簧替代传统钢板弹簧表现出极大的兴趣。复合材料成分的选择取决于应用类型、可用性、强度要求和材料成本等要求。本文简要综述了近二十年来利用CAD工具进行的材料选择、不同制造工艺、实验研究、设计与分析等方面的研究。

关键字

玻璃纤维，环氧树脂，天然纤维，有限元分析，板簧

介绍

为了节约自然资源和能源，减重一直是当前汽车制造商关注的重点。板簧悬架是汽车减重的潜在项目之一，其悬架重量占非簧载重量的10-20%。复合材料的引入使得在不降低承载能力和刚度的情况下减轻钢板弹簧的重量成为可能。节能是任何车辆设计中最重要的目标之一，减轻重量是最有效的节能措施之一，因为它降低了车辆的总油耗。与钢相比，复合材料具有较高的弹性应变储能能力和强度重量比，而且玻璃钢板簧还具有优异的抗疲劳性能和耐久性。但是板簧的减重不仅仅是通过材料的替换实现的，而且是通过结构的优化设计实现的。板簧应通过其自身的偏转吸收垂直振动、冲击和碰撞载荷，使势能以应变能的形式储存在板簧中，然后缓慢释放。因此，弹性应变储能能力是板簧材料选择的重要依据。比弹性应变能与密度和杨氏模量成反比，由于玻璃钢复合材料具有较低的杨氏模量、较低的密度和较轻的重量，汽车工业对用玻璃纤维复合材料替代钢板弹簧表现出越来越大的兴趣。近年来，天然纤维以其低廉的成本、较低的密度、可接受的比强度、较好的力学性能以及生态和生物可降解的特性，作为玻璃等合成纤维增强材料的替代品，受到了广泛的关注。植物纤维被认为是不可再生的合成纤维如玻璃纤维和碳纤维的良好替代品。有多种天然纤维适用于各种结构和汽车应用，如黄麻，亚麻，香蕉，剑麻纤维等，例如采用黄麻和E-玻璃编织粗纱垫作为增强材料、环氧树脂LY556作为基体材料的复合材料板簧，与传统钢板弹簧相比，复合材料钢板弹簧具有重量轻、成本低、应力小、刚度高等优点。

纤维增强复合材料的组成

一般来说，复合材料是由两种或两种以上物理和化学上不同的成分合成/天然的材料混合物。第一组分是选定的填料或增强剂(不连续相)，而另一组分是相容的基体粘结剂(连续相)。将这两种成分结合起来，以达到特定的特性和性能。不同类型的纤维、基体和加工技术用于不同复合材料的制造。

纤维

纤维是纤维增强复合材料的主要成分。它们在复合材料层合板中占有最大的体积分数，并分担作用于复合材料结构上的载荷的主要部分。选择合适的纤维类型、纤维体积分数、纤维长度和纤维取向是非常重要的。

玻璃纤维。

玻璃纤维是聚合物基复合材料(PMC)中最常见的增强纤维。玻璃纤维的主要优点是成本低、抗拉强度高、耐化学性好和优异的绝缘性能。其缺点是相对低的拉伸模量、高密度、在处理过程中对磨损的敏感性、相对较低的抗疲劳强度和高硬度。纤维增强塑料(FRP)工业中常用的两种玻璃纤维是E -玻璃纤维和S-玻璃纤维，另一种类型称为C -玻璃纤维，用于比E-玻璃纤维更耐酸腐蚀的化学应用。电子玻璃纤维是所有普通增强纤维中成本最低的，这也是其在玻璃钢工业中得到广泛应用的原因。

碳纤维

碳纤维具有不同的抗拉模量，从207 GPa (303106 psi)到高达1035 GPa(1503106 psi)不等。一般而言，低模量纤维比高模量纤维具有更低的密度、更低的成本、更高的拉伸和压缩强度以及更高的拉伸应变。碳纤维的优异性能包括极高的比强度、比模量、非常低的线性热膨胀系数（提供尺寸稳定性等设计应用)、高疲劳强度、高导热系数比铜甚至更高。其缺点是低应变失效、低冲击电阻、高电常数，可能导致无保护电机的短路。到目前为止，它们高昂的成本使它们无法广泛应用于商业领域。它们主要用于航空航天工业，在航空航天工业中，减轻重量被认为比成本更重要

天然纤维

天然纤维的例子有黄麻、亚麻、大麻、剑麻、椰子纤维(coir)和香蕉纤维(abaca)。所有这些纤维都是作为农业植物生长在世界各地，通常用于制作绳索、地毯衬垫、袋子等。天然纤维的组成是纤维素微纤维分散在木质素和半纤维素的非晶态基质中。根据天然纤维的种类，纤维素含量在60 ~ 80 wt%之间，木质素含量在5 ~ 20 wt%之间。此外，天然纤维中的水分含量可达20% wt%。

基体

基体是一种粘结材料，用于固定纤维的位置，并将外部载荷传递给内部增强材料。在天然纤维增强聚合物复合材料中，热固性和热塑性基体，如不饱和聚酯、环氧树脂和酚醛树脂，以及聚丙烯、聚乙烯和弹性体，都被广泛应用于复合材料中。在复合材料中，这些基体具有不同的化学结构，并与纤维表面分子发生不同的反应。

工艺

复合材料的制备通常采用手工铺层技术，这是复合材料加工中最简单的方法，而且这种方法的基础设施要求也很低。在某些情况下，真空袋成型在进行制造过程中可以利用柔性薄膜外侧面空气压力进行加压，在此过程中，复合材料在真空中去除层合板上的气泡。在此阶段之后，材料在烘箱中进行固化过程时可能会受到大气压的影响。但是这种方法并没有广泛地应用于制造复合材料板簧。原因是除了手糊技术可能会增加人工制造成本,还可能是因为真空泵、真空袋的强有力的橡胶外壳的织物或聚合物薄膜和高技能的劳动力会产生较高的成本。由于这些固有的原因，它没有得到广泛的应用。模板(模具)由木材和胶合板根据所需的形状结构由计算机算法得到，玻璃纤维被切割成所需的长度，以便在制作过程中可以一层一层地沉积在模板上。在传统的手工堆焊工艺中，采用凝胶/蜡单组分脱模剂，使模具表面光洁度良好。其次是环氧树脂在玻璃纤维上的均匀应用。另一层是分层铺设，压辊是用来清除所有残留的空气，这个过程一直持续到得到所需的厚度。在单独叠层时必须注意消除纤维变形，因为纤维变形会降低弹簧整体的强度和刚度，整个加工时间可达20分钟，再在室温下可固化约24小时。首先在制备复合材料时，将所需尺寸的玻璃纤维和黄麻纤维毡进行切割，使其在制备过程中逐层沉积在模板上。然后将固化剂重量比为10:1的环氧树脂缓慢搅拌约10-15分钟，在模具的顶部和底部使用了两块OHP板，以获得光滑的表面光洁度，在模具中加入一定量的树脂，浇注时要注意避免产生气泡，后将十层纤维垫层叠放，中间有树脂层。刷和辊是用来浸渍纤维垫，也避免空气滞留。纤维重量分数保持在40-45%，因为在该纤维重量分数下获得了最佳的力学性能。在复合材料的手工叠层真空装袋法中，纤维是手工铺在模具上，基体材料是刷涂或喷涂。为了得到所需的厚度，需要对各层进行堆叠。同时，沉积层被辊压实。然后使用真空袋装法，大气压是用来保持基质或树脂涂层的成分层压实，直到胶粘剂固化。

建模和分析与实验研究

有研究人员设计了EN45型抛物型复合材料板簧，利用CATIA V5对抛物面板簧进行了CAD建模，并利用ANSYS 11.0对其进行了分析。利用边界条件对板簧进行有限元分析，初步将模型离散为有限单元和节点，并将CAE分析结果与工业试验实验室的实验结果进行了比较。结果表明，抛物线板簧在满载时的总挠度为56.806 mm，即有限元计算结果的挠度与实验值偏差16%。在相同满载条件下，复合材料板簧所产生的等效应力为1083.2 MPa，即等效应力远低于屈服应力，说明设计是安全的。通过与实验结果的比较，给出了非常接近的结果，为有限元模型的验证和工作提供了依据。研究人员设计制造了18种变宽变厚单叶复合材料板簧。利用ANSYS软件对钢板弹簧和复合材料板簧进行了三维建模和分析。对复合材料板簧与钢板弹簧在重量、成本、强度等方面进行了比较研究。分析结果与有限元分析结果进行了比较，与实验结果吻合较好。结果表明，在相同设计参数下，复合材料板簧比传统钢板弹簧更轻、更经济。相比之下，复合材料板簧的应力为473 MPa小于钢板弹簧的503.3 MPa，而且其变形为105毫米也小于钢板弹簧的107.5毫米。E-玻璃纤维单片复合材料板簧与传统钢板弹簧相比，重量从23公斤降低到3.59公斤，在相同性能水平下，重量降低了84.40%。实验结果表明，复合材料的固有频率为102.14 Hz，高于钢片弹簧的固有频率93.56 Hz。

通过设计约束为应力和挠度，对复合材料板簧进行了改进，考虑了不同截面的单叶弹簧，并对每一层板的单向纤维取向角进行了修正。利用ANSYS 12.0对三维模型进行了静力分析。采用ANSYS 12有限元分析软件，对碳纤维/环氧复合材料板簧与钢钢板弹簧进行了对比分析，并对有限元结果进行了实验验证。与单板钢板弹簧相比，在最大载荷为3400 N、减重22.15%的情况下，叠层复合材料单片板簧的应力较小，为391.95 MPa，而单板钢板弹簧的应力为674.31 MPa。

采用手工叠层真空装袋技术代替轻型客车金属片弹簧，制备了20种E-玻璃纤维增强环氧树脂复合材料板簧。通过试验比较了复合材料板簧与金属钢板弹簧的承载能力和刚度，并对复合材料板簧进行了装配，研究了复合材料板簧在实际工况下的性能。结果表明，与现有的6.5公斤金属弹簧相比，2.78公斤复合材料板簧的减重效果为57.23%。对玻璃纤维增强塑料(GFRP)在不同体积百分率下的力学性能进行了评价，为钢板弹簧的应用提供了依据。研究涉及的力学性能有抗拉强度、抗弯强度和冲击强度。对不同加载条件下的结果进行了比较，选择了一种适合于单片复合材料板簧应用的复合材料。以体积比为50∶50%、40∶60%、30∶70%的E-玻璃/环氧树脂为研究对象，40∶60%的组合物可产生最大强度的拉伸强度、冲击强度和弯曲强度。然后用40∶60%的E-玻璃/环氧树脂复合材料制备了复合材料板簧。通过复合材料和钢铁之间的比较，研究了重量为3.25公斤钢材板簧和1.8公斤复合材料板簧的强度,表明复合材料板簧承载力为1010.4 N大于钢板板簧负载上限804.4 N。利用万能试验机，对叶片弹簧承受的挠度载荷和最大载荷进行了测试。利用实验室设计的铣床加载实验装置，对上述复合钢板弹簧进行了特定时间的循环加载。从试验结果看出，如果使用复合材料板簧代替钢板板簧，将会减少较多的重量,也观察到复合弹簧可以采取更多的负载比传统的钢板弹簧相同的变形。此外，在复合钢板弹簧中，玻璃纤维和碳纤维混杂复合材料板簧可以比其他复合材料板簧承担更多的载荷，从而提高车辆运载性能。

采用GFRP和聚酯树脂复合材料，更加经济实惠，可降低复合材料板簧的总成本。采用手工铺层工艺，制作了一种宽厚不变的板簧弹簧，工艺简单、经济，在UTM上进行了实验，并利用ANSYS软件对有限元进行了数值分析。分析和实验结果验证了应力和挠度的计算结果，结果表明，复合材料板簧的应力约为220.18 MPa，远低于钢片弹簧的743.10 MPa，复合材料板簧的重量由13.4 kg降低到2.365 kg，复合材料板簧的重量几乎降低了85%。

以SAE 9260和玻璃纤维增强环氧树脂为材料，对多片板簧进行了对比研究，采用ANSYS软件对多片板簧进行了有限元分析。利用Pro/E软件生成板簧模型，并导入ANSYS软件，对两种材料分别进行了路面不规则振动的谐波分析和车辆总质量荷载的静力分析，并对多片弹簧的受力和挠度等性能进行了比较。结果表明，玻璃纤维增强环氧树脂的应力和应变分别为2364N/mm2和0.010552毫米，而SAE 9260应力和应变分别为2477 N/mm2和0.012389毫米,变形降低了14.6%,应力降低到4.67%,应变减少高达16.01%，有效地降低了变形、应力和应变，使叶片弹簧抗载荷寿命更长。

在比较研究多片钢板板簧和玻璃纤维增强环氧树脂、碳纤维增强环氧树脂和石墨增强环氧树脂的过程中，通过有限元分析,结果发现,钢板板簧有10.16毫米的最大位移，而相应的E-玻璃纤维/环氧树脂复合材料、石墨/环氧树脂复合材料和碳纤维/环氧树脂复合材料分别为15毫米，15.75毫米和16.21毫米，从静态分析的结果，钢板板簧的等效应力为453.92 MPa，而E-玻璃纤维/环氧树脂、石墨/环氧树脂复合材料、碳纤维/环氧树脂的等效应力分别为163.22 MPa、653.68 MPa、300.3 MPa。在三种复合材料板簧中，只有石墨/环氧复合钢板弹簧的应力高于钢钢板弹簧。

对钢片板簧(65Si7)进行了多片弹簧疲劳分析，对钢片板簧、复合材料板簧、混合片板簧进行了静力分析，由Solidworks软件生成模型，并导入ANSYS软件进行分析。结果表明,应力在E-玻璃/环氧复合弹簧比传统的钢板簧要小，钢板和复合材料混杂的新组合板簧(混合板簧)在给出相同的静态加载下发现其应力值位于钢片板簧和复合材料板簧之间。常规65Si7钢板板簧的重量约为58.757 kg，而相同规格的复合材料板簧的重量仅为19.461 kg，混合钢板簧的重量为41.14 kg。此外，还观察到复合材料板簧(100mpa)产生的应力低于传统钢板弹簧(350mpa)。

采用黄麻和E-玻璃编织粗纱垫作增强材料，环氧树脂LY556作基体材料，在Unigraphics NX6中编制了叶片弹簧的CAD模型，并将其导入ANSYS 14.5的静态结构分析工作台中进行有限元分析，对钢片弹簧(65Si7)与黄麻/E-玻璃纤维增强环氧树脂复合材料板簧进行了对比分析，通过对钢、复合材料和混合材料板簧的试验结果进行比较，发现在5000 N荷载作用下，钢板板簧的最大等效应力为383.88 MPa，高于复合材料和混合材料板簧所产生的应力。同时，复合材料板簧的最大

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