楊 建，黃 勝，王 軍，薛菲菲

(1.金屬擠壓與鍛造裝備技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗室，陜西 西安 710032;2.中國重型機(jī)械研究院股份公司，陜西 西安 710032)

0 前言

樹脂復(fù)合減振板是由兩層鋼板中間夾樹脂層組成的，根據(jù)各層的厚度不同，樹脂復(fù)合減振板分為兩類［1］，約束型樹脂復(fù)合減振板和非約束型樹脂復(fù)合減振板，前者表層鋼板的厚度為0.15～1.6mm，樹脂層厚度為0.03～0.1mm，沖壓加工性良好;而后者表層鋼板的厚度較前者薄為0.1～0.4mm，樹脂層厚度比前者厚為0.2～1.0mm，沖壓加工性差常作隔音板用。本文研究約束型樹脂復(fù)合減振板，該減振板能起到減震降噪的效果而不額外的增加重量，在汽車、家電等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛［2-5］，是傳統(tǒng)鋼板的有效的替代品。

由于減振板的特殊結(jié)構(gòu)，其在沖壓成形過程中除了會出現(xiàn)諸如起皺、破裂等缺陷外，還會出現(xiàn)脫層、表層滑移等缺陷［6］，這些缺陷在減振板成形的過程中都應(yīng)該避免。目前已有部分學(xué)者研究這些缺陷的預(yù)測判斷，H.Yao，K.P.Li.etc［7］用試驗的方法測得整個減振板的FLD，并采用tie-break 接觸的彈簧單元模型，在LS-DYNA 中進(jìn)行了起皺的數(shù)值模擬;H.S.Cheng，J.Cao，H.Yao.etc［8］對減振板的起皺進(jìn)行了研究，得出減振板的起皺趨勢與單層板類似。王勇、陳軍、唐炳濤［9］通過粘聚力模型，以應(yīng)力為判據(jù)，對減振板的T 剝離進(jìn)行了模擬并與實(shí)驗結(jié)果進(jìn)行對比，得出粘聚力模型能有效的模擬減振板的T剝離。本文采用改進(jìn)的粘聚力模型，通過數(shù)值模擬研究減振板的脫層、表層滑移、起皺、破裂等缺陷的判斷，并形成樹脂復(fù)合減振板的成形性判斷系統(tǒng)，以便反應(yīng)減振板的脫層、表層滑移、起皺、破裂缺陷的形成。

1 樹脂復(fù)合減振板脫層判據(jù)

脫層和表層滑移是樹脂復(fù)合減振板減振板成形中常見的缺陷，也是影響減振板及其他復(fù)合材料應(yīng)用的主要障礙。脫層破壞了中間樹脂層結(jié)構(gòu)，不僅使減振板的減振降噪的功能大大降低，而且還影響減振板的整體力學(xué)性能。如果能預(yù)測和判斷減振板的脫層、表層滑移問題，不僅對減振板的成形有重要指導(dǎo)意義，而且對其他復(fù)合材料的成形也有借鑒價值。本文通過切向極限位移試驗和法向極限位移試驗研究減振板脫層的形成。

1.1 切向極限位移試驗

切向極限位移測試如圖1 所示。將減振板的上下基本從表面切開，得到一段有三層結(jié)構(gòu)的區(qū)域，由于只需要測量減振板上下板的極限位移，所以只要中間三層區(qū)域不是太小對測量結(jié)果一般就沒有影響，試驗過程采用zwick 材料試驗機(jī)，將試件上下端夾緊，下端固定，上端向上移動，同時試驗機(jī)測得每一時刻的試件所受的拉力，直到減振板的樹脂層完全破壞，及試驗機(jī)所測得的拉力開始減小，停止上端移動，得到整個過程的拉力位移曲線。如圖2 所示。

圖1 切向極限位移試件示意圖Fig.1 Specimen systematic of tangential limit displacement

圖2 切向極限位移試驗結(jié)果圖Fig.2 Results of tangential limit displacement experiment

由試驗結(jié)果知，當(dāng)位移為0.52 mm 時，減振板上下板間的切向剪切力達(dá)到最大，即當(dāng)減振板的上下板的切向滑移達(dá)到0.52 mm 時減振板就發(fā)生脫層。

1.2 法向極限位移試驗

法向極限位移試驗與切向極限位移試驗都是為了獲得減振板的脫層的臨界滑移值。對于法向極限位移試驗，需要將減振板從兩端剝離并加入墊塊。加墊塊的目的是方便減振板的夾持。試驗過程采用zwick 材料試驗機(jī)，將試件的上下端通過墊塊夾緊，其中下端固定，上端向上移動，同時試驗機(jī)測得每一時刻的試件所受法向拉力和拉開的位移，直到減振板的樹脂層完全破壞，及試驗機(jī)所測得的拉力開始減小，停止上夾持端移動，并得到整個過程的拉力位移曲線。試驗過程和結(jié)果如圖3 所示。

圖3 試驗過程和試驗結(jié)果Fig.3 Test process and results

從圖3 的試驗結(jié)果知，當(dāng)減振板上下基板間的位移為0.18 mm 時，其法向拉力達(dá)到最大值，即當(dāng)減振板上下基板的法向滑移達(dá)到0.18 mm時減振板就發(fā)生脫層。

1.3 樹脂復(fù)合減振板脫層判據(jù)的建立

樹脂復(fù)合減振板在實(shí)際成形的過程中，上下基板間的滑移既有法向的也有切向的處在混合狀態(tài)，為此在其脫層破壞準(zhǔn)則中，引入等效相對滑移變量λ［10］，定義如下

當(dāng)λ ＜1 時，說明粘接層沒有發(fā)生脫層的破壞，而當(dāng)λ≥1 時，即當(dāng)減振板的上下基本的位移超過或者等于0.757 mm(0.522+0.522+時，減振板就產(chǎn)生脫層破壞。該判據(jù)是偏保守的，可以肯定的是減振板發(fā)生脫層時并不需要三個方向上的極限滑移都達(dá)到最大值，發(fā)生脫層位移的實(shí)際值只會比這個值小。

2 拉深成形中的脫層判斷

2.1 樹脂復(fù)合減振板拉深成形脫層判斷的算法實(shí)現(xiàn)

ABAQUS 提供了Python 語言接口［11］，對于樹脂復(fù)合減振板拉深成形脫層判斷的算法實(shí)現(xiàn)，首先通過Python 語言從ABAQUS 的odb 文件中提取減振板節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、單元結(jié)構(gòu)、單元節(jié)點(diǎn)組成及編號等信息，然后通過OpenGL 在MFC 中通過前面的脫層判據(jù)，判斷成形后的減振板的各個單元所處的狀態(tài)，包括脫層、臨界脫層、未發(fā)生脫層等，便于直觀的反應(yīng)樹脂復(fù)合減振板的脫層缺陷。具體算法流程圖如圖4 所示。

2.2 U 彎脫層在樹脂復(fù)合減振板成形性判斷系統(tǒng)中的顯示

樹脂復(fù)合減振板U 彎成形的有限元模型的壓邊力為4 kN，沖頭下壓行程為40 mm，其他設(shè)置見ABAQUS 的幫助文檔。根據(jù)算法并通過OpenGL 渲染建立樹脂復(fù)合減振板的脫層判斷系統(tǒng)顯示脫層結(jié)果如圖5 所示。

2.3 U 彎實(shí)驗脫層

2.3.1 U 彎實(shí)驗

本文采用U 形彎曲實(shí)驗考察減振板的脫層情況。試樣規(guī)格為25 mm ×320 mm，試驗壓邊力4 kN，沖頭下壓行程為40 mm，成形后的U形件脫層情況如圖6 所示。

對比圖5 和圖6 可知，由樹脂復(fù)合減振板的脫層判斷系統(tǒng)顯示脫層的位置與試驗結(jié)果基本吻合。因此該脫層判據(jù)基本能預(yù)測判斷樹脂復(fù)合減振板成形過程中的脫層缺陷。其中不完全相同的部分，一方面是樹脂復(fù)合減振板U 彎成形過程的數(shù)值模擬采用的是改進(jìn)的粘聚力模型，該模型并不能完全準(zhǔn)確的模擬減振板的沖壓成形;另外一方面也有試驗工藝和試驗設(shè)備的控制不精確或者試驗材料力學(xué)性能不夠穩(wěn)定等的原因。

圖6 樹脂復(fù)合減振板的U 型件的脫層Fig.6 Delamination defect in U-bending

3 結(jié)論

(1)建立脫層判據(jù)。通過切向極限位移試驗和法向極限位移試驗得出減振板的發(fā)生脫層時上下基板的相對滑動距離的極限值，從而得出減振板的脫層的判據(jù)。

(2)對脫層判據(jù)進(jìn)行了驗證。通過數(shù)值模擬的方法對減振板的U 彎過程進(jìn)行了模擬，并對其脫層情況進(jìn)了判斷，具體實(shí)現(xiàn)過程就是通過脫層判據(jù)在MFC 中建立樹脂復(fù)合減振板的脫層判斷系統(tǒng)，最后用U 彎試驗和該判據(jù)判斷的減振板的U 彎脫層情況進(jìn)行了對比，發(fā)現(xiàn)該判據(jù)能有效的預(yù)測和判斷減振板的脫層缺陷。

［1］Xinran Xiao，Ching-Kuo Hsiung，Zhong Zhao.Analysis and modeling of flexural deformation of laminated steel［J］.International Journal of Mechanical Sciences，2008，50:69－82.

［2］Ri-hui Zhang，T.T.Soong.Design of Viscoelastic Dampers for Structural Applications ［J］.Journal of Structural Engineering，1992，118 (5):1375－1392.

［3］S.Tsai.Temperature effect of viscoelastic dampers during earthquakes［J］.Joural of Structural Engineering，1992，120(2):394－409.

［4］Phris P，Shy Rong.Hybrid control using viscoelastic dampers and active controls for seismic structure［J］.First world conference on structural control，1994(8):3－5.

［5］C.Chang，S.J.Chen.Inelastic behavior of steel frames with added viscoelastic dampers［J］.Journal of structural engineering，1996(10):232-－243.

［6］王勇.樹脂復(fù)合減振板拉深成形研究及數(shù)值模［D］.上海:上海交通大學(xué)，2008.

［7］H.Yao，C.C.Chen，S.D.Liu，et al.Laminated steel forming modeling techniques and experimental verifications［N］，SAE Paper.2003－01－06.

［8］H.S.Cheng，J.Cao，H.Yao，et al.Wrinkling behavior of laminated steel sheets［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，151:133－140.

［9］WANG Yong，CHEN Jun，TANG Bing-tao.Finite element analysis for delamination of laminated vibration damping steel sheet［J］.Trails.Nonfci-rous Mct.SOC.China，2007，17(3).

［10］Mi Y，Crisfield M，Davies G.Progressive delamination using interface elements［J］.J Comopos Mater，1998，32:1246－1272.

［11］ABAQUS，Inc.ABAQUS Scripting User's Manual，Version6.8 ［M］.Pawtucket，USA，ABAQUS，Inc，2008.

［12］曹博，羅珊珊，楊志.TGIC 對PBI/PDE 共混復(fù)合材料斷裂韌性的影響研究［J］.太原科技大學(xué)學(xué)報，2012(5).