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汽车针刺地毯复合材料热成形性能研究 摘要 材料成形性能的研究，源于工业生产实践中的迫切需求，近年来受到日益广泛的关注。作为机 制地毯一种较新的制造技术，汽车针刺地毯复合材料在其实际热成形过程中，经常出现拉破、起皱、 定形不良等种种制品缺陷。面对当前针刺地毯实际生产中的这些问题，全球的各汽车地毯生产企业 依然处于依靠经验、反复试错以获得解决方案的阶段。这导致了汽车针刺地毯新产品的开发周期延 长，已有产品的质量波动。在我国，现有的汽车专用地毯生产能力满足不了当前国内迅速发展的汽 车工业的需求，导致了汽车地毯每年都需要大量的进口因此，本文在国家自然科学基金委的项目 资助( 项目编号：5 0 3 0 5 0 2 0 ) 下，首次以汽车针刺地毯复合材料的热成形性能为中心，进行了比较 系统和深入的研究。 通过高温拉伸实验参数的确定以及多种实验设计方案的实施，本文积累了针刺地毯复合材料的 基本力学性能数据。对三种汽车针刺地毯复合材料进行了不同传热条件下( 恒温绝热和自然对流传 热) 的大量高温力学实验，总结了针刺地毯复合材料高温力学行为的共同特点；应用聚合物材料的 粘弹性基本原理，分析了拥有典型结构的两类针刺地毯复合材料( 1 针刺毯坯层涂覆背胶层的双层 结构，2 针刺毯坯层涂覆聚丙烯( p p ) 热定形层再添加衬垫层的三层结构) 在不同温度条件下的变 形机理。 基于复合材料宏观力学的观点，从不可逆热力学基本原理出发，本文推导出了针刺地毯复合材 料非线性热力耦合粘弹性本构模型的框架。为了使提出的材料模型能够体现温度效应在不同传热方 式下的差异性，按照不可逆热力学本构理论框架中关于温度的定义，描述了温度对针刺地毯复合材 料力学行为的影响。 针对汽车针刺地毯复合材料热成形时各个阶段不同的实际传热方式，本文将单面冷却传热模型 和大空间自然对流大平板模型分别引入本构模型框架，并采用l a p l a c e 交换、l a p l a c e 逆变换的方法， 得到了针刺地毯复合材料在三种换热条件( 恒温绝热、自然对流传热和热传导) 下粘弹本构关系的 具体表达式。在这些不同传热条件下本构关系的具体表达中，模型参数只需通过基本力学实验和热 学实验即可确定，使得建立的该材料模型便于工业应用。 利用通用型非线性有限元分析软件a b a q u s e x p l i c i t 中的用户自定义材料模型接口v u m a t 。 编程实现了本文提出的材料模型。进行了两种针刺地毯复合材料在不同传热条件下单向拉伸变形和 半球冲压变形过程的数值模拟，得到的数值结果同针刺地毯的实验数据基本吻合，验证了材料模型 的有效性；选择a b a q u s 材料库中自带的m a d o w 材料模璎，完成了单向拉伸和? 卜球冲压过程的对 比数值运算，将两类材料模型的数值结果同实验结果进行对比，进一步证明了本文所提材料模型在 热力耦合条件下的精确性。 最后，依据针刺地毯复合材料高温拉伸时的特有变形特征，结合建立的材料模型，本文提出了 评价针刺地毯材料热成形性能的三个指标。通过与相应实验结果的对比，各指标的有效性获得了验 证。这些指标可以分别从极限强度、变形能力和温度敏感性的角度，对汽车针刺地毯复合材料的热 成形性能进行评价，从而为汽车针刺地毯在实际生产时的材料选择、稳定工艺条件设置等方面提供 参考。 关键词：针刺地毯，高温力学行为，变形机理，非线性粘弹性，热成形性能 u t h e m o f o r m a b l i i t ys t u d yo fa u t o m o t i v e n e e d l e p u n c h e dc a r p e tc o m p o s i t e s a bs t r a c t s t u d i e so fm a t e r i a lf o r m a b i l i t y , w h i c hc o m e sf r o mp r e s s i n gd e m a n do fp r a c t i c a lf o r m i n gp r o c e s s e s , h a v eg a i n e dm o r ea t t e n t i o n sd u r i n gt h ep a s ty e a r s a sar e l a t i v e l yn e w l ye m e r g i n gm a n u f a c t u r i n g t e c h n o l o g yi nm o d e mc a r p e ti n d u s t r y , a u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e tc o m p o s i t e su s u a l l yh a p p e nt ob e t e a r i n g , w r i n k l i n ga n dc r u s h i n gd u r i n gt h e i rp r a c t i c a lt h e r m o f o r m i n gp r o c e s s e s b yf a rt h eg l o b e a u t o m o t i v ec a r p e tm a n u f a c t u r e r sh a v ea p p l i e dt h e i re n g i n e e r s e x p e r i e n c e sa n dt r i a la n de r r o rm e t h o dt o s o l v et h e s ep r o b l e m s t h i sl e a d st op o s t p o n e m e n to fn e wp r o d u c t sa n dq u a l i t yf l u c t u a t i o no fc u r r e n t p r o d u c t s i nc h i n a , c u r r e n tp r o d u c t i o nc a p a b i l i t yo fa u t o m o t i v ec a r p e t sh a s s t i l lr e m a i n e df a rb e h i n dt h a to f d o m e s t i ca u t o m o t i v e s ，w h i c hr e s u l t si nn u m e r o u sa u t o m o t i v ec a r p e t si m p o r te v e r yy e a r s ow i t ht h e f i n a n c i a ls u p p o r to fn a t i o n a ls c i e n c ef u n d ( p r o j e c ti t e m ：5 0 3 0 5 0 2 0 ) ，w ef i r s t l yf o c u so nt h e r m of o r m a b i l i t y o fa u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e tc o m p o s i t e s ，h a v eas y s t e m i ca n di n d e p t hs t u d y b yp a r a m e t e r sa s c e r t a i n m e n to fe x t e n s i l ee x p e r i m e n ti nh i g ht e m p e r a t u r ea n de x e c u t i o no fm a n yt e s t s c h e m e s ，b a s i cm e c h a n i c a ld a t ao fa u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e tc o m p o s i t e sh a v eb e e na c c u m u l a t e d w i t hal a r g en u m b e ro fe x t e n s i l ee x p e r i m e n t so fa u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t su n d e rd i f f e r e n th e a t t r a n s f e r r i n gc o n d i t i o n s ( i s o t h e r m a lc o n d i t i o n ，n a t u r a lh e a tc o n v e c t i o nc o n d i t i o n ) , t h ec o m m o nm e c h a n i c a l c h a r a c t e r so fa u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t si nh i g ht e m p e r a t u r eh a v eb e e ns u m m a r i z e d w i t ht h e a p p l i c a t i o no fv i s c o e l a s t i cp r i n c i p l ea b o u tp o l y m e rm a t e r i a l s ，t h ed e f o r m a t i v em e c h a n i s m su n d e rd i f f e r e n t t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n sa b o u tt w ot y p i c a l a u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t s ( 1 an e e d l e p u n e h e df a b r i c l a y e rp l u sal a t e xl a y e r , 2 an e e d l e p u n e h e df a b r i cl a y e r , ap o l y p r o p y l e n e ( p p ) t h e r m of i g u r a t i o nl a y e rp l u sa m a ti a y e r ) h a v eb e e na n a l y z e d ，r e s p e c t i v e l y w i t ht h ev i e w p o i n to fc o m p o s i t em a c r o s c o p i cm e c h a n i c s ，an o n l i n e a rv i s c o e l a s t i cc o n s l ：i t u t i v e f r a m e w o r k , i n c l u d i n gt e m p e r a t u r ee f f e c t , f o ra u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t sh a sb e e np r o p o s e df r o m t h e r m o d y n a m i c so fi r r e v e r s i b l ep r o c e s s e s i no r d e rt oc h a r a c t e r i z et h ed i f f e r e n c eo ft e m p e r a t u r ee f f e c tw i t h d i f f e r e n th e a tt r a n s f e r r i n gc o n d i t i o n s ，t h ed e s c r i p t i o no nt e m p e r a t u r ee f f e c ti no u rm o d e li sb a s e do nt h e d e f i n i t i o no ft e m p e r a t u r ei nt h e r m o d y n a m i c so fi r r e v e r s i b l ep r o c e s s a c c o r d i n gt ot h es p e c i f i ch e a tt r a n s f e r r i n gm o d e sc o r r e s p o n d i n gt ot h ed i f f e r e n tt h e r m o f o r m i n g p r o c e s ss t a g e si np r a c t i c e , as i n g l es i d ec o o l i n gm o d e la n dan a t u r a lc o n v e c t i o nm o d e lo fs p a c e l e s sp l a t e h a v e b e e ni n t r o d u c e do u rp r o p o s e dm o d e lf r a m e w o r k , r e s p e c t i v e l y t h e nw i t ham e t h o do fl a p l a c e t r a n s f o r ma n dl a p l a c ei n v e r s et r a n s f o r m 。t h es p e c i f i ce x p r e s s i o n so fv i s c o e l a s t i cc o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sf o r i i ! a u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e tc o m p o s i t e sf o rt h et h r e eh e a tt r a n s f e r r i n gc a s e s ( i s o t h e r m a l ，h e a t c o n v e c t i o n a l ，a n dh e a tc o n d u c t i v e ) ，h a v eb e e na r c h i v e d m o d e lp a r a m e t e r sa m o n gt h e s eo b t a i n e d c o n s t i t u t i v ee q u a t i o n sc a nb ec h a r a c t e r i z e dj u s tb yb a s i cm e c h a n i c a le x p e r i m e n ta n dt h e r m a lt e s t ，w h i c h m a k e so u rp r o p o s e dm o d e lc o n v e n i e n tf o ri n d u s t r i a la p p l i c a t i o n s a p p l y i n gt h eu s e r - d e f i n e ds u b r o u t i n ei n t e r f a c ev u m a t o fg e n e r a lp u r p o s e dn o n l i n e a rf i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea b a q u s e x p l i c i tt oc o d eo u rp r o p o s e dm o d e lf o ra u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t s , n u m e f i c a ls i m u l a t i o n so fu n i a x i a le x t e n s i l ed e f o r m a t i o na n ds t a m p i n gd e f o r m a t i o nw i t hah e m i s p h e r e p u n c ha r ei m p l e m e n t e d ，r e s p e c t i v e l yf o rt h ed i f f e r e n th e a tt r a n s f e r r i n gc a s e s v e r i f i c a t i o no fo u rp r o p o s e d m o d e li sp r o v e db yt h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h en u m e r i c a lr e s u l t sa n dt h ee x p e r i m e n t a ld a t a t og a i na r e l a t i v e l yo b j e c t i v ee v a l u a t i o no nt h ep r o p o s e dm o d e l ，t h em a r l o wm o d e l w h i c hi sab u i l t - i nm a t e r i a i m o d e li na b a q u s ，i ss e l e c t e dt oi m p l e m e n tt h es i m i l a rn u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rc o m p a r i s o n c o m p a r i s o n sb e t w e e nt h e s en u m e f i c a lr e s u l t sa n dt h ea c t u a ie x p e r i m e n t a ld a t ah a v ef u r t h e rp r o v e d v e r i f i c a t i o na n de 伍c i e n c yo f o u rp r o p o s e dm o d e l f i n a l l y , d e p e n d i n go nt h ed e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i co fa u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t si nh i g h t e m p e r a t u r e ，t h r e ef o r m a b i l i t yi n d e x e sa r ep r o p o s e db a s e do no u rb u i l tm o d e l b yc o m p a r i s o n sw i t h c o r r e s p o n d i n ge x p e r i m e n t a ld a t a , t h e s ei n d e x e sv e r i f i c a t i o n sa l ep r o v e d e a c ho f t h e me v a l u a t e st h et h e r m o f o r m a b i l i t yo fa u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t sf r o md i f f e r e n ta s p e c t s ，w h i c h 锄u l t i m a t es t r e n g t h , d e f o r m a t i o na b i l 时a n dt e m p e r a t u r es e n s i t i v i t y , r e s p e c t i v e l y b yt h ea p p l i c a t i o n so ft h e m ，h e l p f u l r e f e r e n c e st oas t e a d ya n dr o b u s tt h e r m a lf o r m i n go p e r a t i o nf o ra u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e t c o m p o s i t e si np r a c t i c ea r ea b l et ob ea r c h i v e d k e y w o r d s ：n e e d l e p u n c h e dc a r p e b ，m e c h a n i c a l b e h a v i o r si n h i g ht e m p e r a t u r e ，d e f o r m a t i v e m e c h a n i s m ，n o n l i n e a rv i s c o e l a s t i c i t y , t h e r m o - f o r m a b i l i t y i v 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体己经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：张云青 日期：7 p 年7 月6 日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密t 1 ( i i l f 在以上方框内打“巾) 学位论文作者签名：孑长云青 e t l l i t , 背年7 月日 指导教师签名：缈 e t i 朝t ：碲77 t e l 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 经历几十年的高速发展，汽车内饰件已从最初的为汽车驾驶者和乘坐者提供个基本的驾驶空 间和乘车环境，逐渐发展成为结合人体工学、设计美学，充满人性化的高附加值产品。同时作为一 条翻新滞销车型切实可行的途径，汽车内部装饰的研究获得了越来越广泛的关注1 1 1 地毯是汽车内 饰件中不可或缺的一部分1 2 - 4 1 ，在每辆汽车上，大约有3 4 - 4 5 m 2 的配置。这不仅源于地毯具有美学 和感官上的装饰性，更重要的是，它还具有隔音、抗震等方面的实用性。工业化的汽车用地毯主要 包含簇绒地毯和针刺地毯两大类。具体配置哪一类地毯，历史上主要取决于汽车的产地。近年来， 针刺地毯由于在成形工艺上【】比簇绒地毯效率更高，成本更低，已经逐渐占据了当今汽车地毯市场 的绝大部分份额，表1 1 列出了2 0 世纪最后l o 年两类汽车地毯市场占有率的变化1 7 j 。 表1 11 9 9 0 - 2 0 0 0 年簇绒地毯和针刺地毯的市场份额变化 t a b l el lt u f t e dc a l p c ta n dn e e d l e p u n c h e dc a r p e tm a r k e tp e r c e n 忸d u r i n g1 9 9 0 - 2 0 0 0 汽车针刺地毯的生产始于2 0 世纪5 0 年代末，属于较新的机制地毯制造技术。故而在当今的针 刺地毯实际生产中，各个地毯生产企业，仍然主要依靠技术人员的经验和工艺试错法来解决生产中 遇到的种种问题。这已经造成了新产品开发周期的延长，大量人力物力的浪费，以及现有产品的质 量波动，稳定的生产控制难以实现。所以，就全球范围内，迫切需要嗣绕汽车针刺地毯展开一系列 的理论整理和系统研究。我国汽车针刺地毯的生产和使用始于2 0 世纪8 0 年代。当前国内迅速发展 的汽车工业，带动了汽车内饰用纺织品的飞速增长l 剐。但目前我国汽车地毯的实际生产能力只相当 于国内汽车生产能力的2 0 左右，远远满足不了汽车工业的需求。由于其产品往往用作国外某款车 型的配套，因而国内的各汽车地毯生产企业，在地毯原料的选择，技术路线的实施，成形工艺的设 定等诸多方面，普遍受制于国外的汽车生产商，企业很少能够拥有自主的创新研发空间所以，面 卜海交通大学博l j 学位论文 对当前国内汽车针刺地毯这种生产能力低，市场缺口人，缺少白主产权的现状，同样亟待开展对汽 车针刺地毯的系统研究。 材料的成形性能，是指材料适应各种成形加：l ：过程的能力【9 】。重点研究材料的成形性能，源于 企业实际生产的要求，是企业顺利生产的保证。因此，工业界始终对材料成形性能方面的研究保持 着高度热情，并不遗余力地推动其成为学术理论界的研究焦点。这其中最具代表性的例子就是，由 于各工业发达国家汽车产业界的需求，板金材料成形性能的研究，自2 0 世纪6 0 年代以来，取得了 长足的进展，并由此直接引发了- - i 新的学科一“工艺金属学”的形成【l 们。类似地，以汽车针刺 地毯成形性能为中心的理论研究，有着强劲而且迫切的工业需求，可以指导汽车地毯生产企业科学 地评价、选择材料，实现顺利、稳定的生产。 1 2 汽车针刺地毯的热成形过程 针 刺 地 毯 制 备 针 刺 地 毯 成 形 原料准备 上 制成纤维 上 i 纤维成毯坯 j 毯坯背胶 l 背胶毯坯格理 1 l 红外加热 上 模压成形 最终产品 高分子1 ：业( 合成与改性) 化纤工业 非织造布工业( 针刺技术) 胶粘剂工业 织物涂层技术 成形技术 图1 - 1 汽车针刺地毯热成形工序流程表 f i g i - la u t o m o t i v en e e d l e p u n c h e dc a r p e tt h e r m o f o r m i n gp r o c e s s 汽车针刺地毯的热成形工序以及各工序相应的技术手段如图1 1 所示。其中的“纤维成毯坯” 2 r_，r一，-l，、，、lr_、， 第一章绪论 1 ：序包含“铺网”和“针刺”两个_ 1 ：艺过程，“铺网”的目的在- 丁最人程度的使针刺地毯各个方向的 力学性能达到一致，“针刺”则是对由铺网r 序形成的纤维网实现机械加l 司，具体方法是通过上下升 降针板的反复刺入，使纤维网中的纤维相互交错缠结而成毡状物。“毯坯背胶”i 【序是指在毡状物底 部涂覆胶粘剂或某种热定形材料的工艺过程，多采用单面浸胶或涂层的方法施加。为了防止热定形 材料在“模压成形”工序中污染模具型腔，在该工序进行前，有的针刺地毯还要附上一层称为衬垫 材料的无纺布基布。所以汽车针刺地毯有两类典型的组成结构：1 双层结构：针刺毯坯层涂覆背胶层， 2 三层结构：针刺毯坯层涂覆热定形层，再添加衬垫层。 汽车针刺地毯的热成形过程，涉及多个工业领域中的不同制造技术，加之针刺地毯材料本身又 具有比较复杂的分层结构，这便导致在实际生产中的最终制品，或者成品率过低，或者质量过剩， 造成了大量的浪费。由于缺乏对针刺地毯热成形性能的系统认知，在产品开发和实际生产中，局部 起皱、拉破和定形不良等制品缺陷问题经常发生。当前，解决这些问题的主要办法依旧是，凭借技 术人员的直觉和经验，大概地或者盲目地反复调整材料和生产工艺。这些问题的解决具有偶然性， 尚不能形成系统有效的彻底解决方案。从1 9 9 8 年起，某些汽车工业发达国家的个别企业，如法国的 m e c a p l a s t 公司i z n 、德国的s t a n k i e w i t z 公司1 2 硼，开始着手于这方面的研究。 1 3 相关研究综述 1 3 1 汽车针刺地毯的研究现状 围绕汽车针刺地毯所展开的研究，大多集中于针刺地毯的材料改性上，即在保持地毯原材料种 类基本稳定的前提下i i l 郴】，通过在材料配方中加入种种新添加剂的办法，达到降低生产成本【体”l ， 赋予针刺地毯新功能的目的材料改性开发的早期，重点关注如何改善针刺地毯的吸音减震、隔热 防潮等基本功甜幡1 7 l ，近年来的研究热点则是赋予针刺地毯抗静电、抗菌防污、阻燃耐磨等新性能 o s - 2 6 1 。 随着计算机技术的飞速发展，基于有限单元法的数值模拟技术得到了广泛应用通过对材料成 形过程的数值模拟，可以使得人们能够在模具设计和实际生产之前，选择最佳的设计方案和工艺条 件，节约成本，缩短研发周期。关于汽车地毯成形过程的数值模拟，目前公开报道的文献，仅见于 e u r o p a m l 9 9 9 年会发表的几篇论文而且，这些汽车地毯热成形过程数值仿真的工作，都是利用 p a m f o r m 有限元分析软件完成的。其中，f r a n k 纠2 9 1 利用线性枯弹性的材料模型，获得了汽车地 毯在恒温条件下的厚度分布。s c h u r i 锄1 3 0 l 通过实验拟合，建立了针对汽车地毯材料的摩擦边界条件模 型。f r o n t i n i 等【3 i l 则考虑了成形过程中压边力和模压速度的影响，获得了汽车地毯的等效应变场，对 成形中可能出现的缺陷( 如局部变薄，拉裂和起皱) 进行了定性分析。总体而言，汽车地毯成形数 值模拟方面的研究，目前尚处于起步阶段 对汽车地毯材料的力学行为描述和地毯热成形时热力耦合现象的处理，成为p a m f o r m 的数 值模拟结果与实际成形情况存在一定差距的两个重要原因。p a m f o r m 中提供了两类材料模型用以 3 卜海交通大学博 学位论文 描述汽车地毯的力学行为。一类是基丁宏观力学角度的g s e l l 模型，该模型实际上最_ 甲用丁韧性塑 料在常温下单轴冷拉的描述，另一类是基丁分层观点的“组合”材料模礤，将汽乍地毯的各层结构 分别视为弹性元件、粘性元件或二者的某种组合，冈而其本质上属丁线性枯弹性材料模型。反观汽 车地毯的实际成形，材料经历熔融态剑同态的变化，表现出复杂的1 e 线性枯弹特征。同时，对于汽 车地毯热成形时的热力耦合现象，p a m f o r m 采用顺序热力耦合算法来处理。这种方法中，程序要 求用户输入地毯材料在某几个温度下的拉伸曲线，而汽车地毯在这些温度之间的力学行为，程序通 过插值运算的结果进行描述。这种温度效应对材料力学行为影响的处理方法，进一步降低了数值计 算的精度。所以，欲从根本上改善汽车地毯热成形的数值模拟结果，就需要建立一个与汽车地毯材 料行为更为接近的力学模型。 1 3 2 针刺地毯材料的力学建模分析 。 汽车针刺地毯结构中的毯坯层和背胶层热定形层，本质上都是由聚合物材料所构成，所以，本 文将汽车针刺地毯归类于“聚合物基复合材料”。聚合物基复合材料( p d y m e rm a t r i xc o m p o s i t e ) p w 7 l 是指以纤维作为分散相和受力增强相，以高分子聚合物作为连续相的一大类复合材料的统称。聚合 物基复合材料以其特有的低密度、高比强度、易加t 等特性，在发展日新月异的复合材料领域，占 据了相当犬的比重，始终是工程技术应用和理论研究的焦点。按照聚合物基复合材料的严格定义， 汽车地毯应当视为“非织造布增强聚合物基复合材料”，不过，此处的“增强”又与传统意义上的纤 维增强复合材料、织物增强复合材料中的“增强”含义不同。对汽车针刺地毯而言，选用针刺毯坯 层的目的在于其具有的装饰性和隔音减震功能，并非出于增强针刺地毯整体力学强度的考虑。也正 因如此，对汽车针刺地毯进行的研究较少从材料力学行为的角度展开p w 9 j 。 在复合材料力学行为的研究中，有两大类研究方法：细观力学方法和宏观力学方法。细观力学 方法是将复合材料如实视为由纤维、基体和界面组成的复杂结构来研究，根据纤维和基体的力学特 性、纤维的几何形状和排列形式、界面特性等细观构造和组分特性，预测和分析复合材料的宏观特 性。宏观力学的分析方法是，将复合材料的实际结构进行均匀化假设，不再区分纤维和基体，以材 料整体的宏观力学表现为研究对象。关于聚合物基复合材料力学行为所进行的研究中，层压复合材 料、织物结构复合材料以及树脂转移模塑成形复合材料，相继成为研究的焦点，已分别建立了各自 的力学模型。 通过对上述聚合物基复合材料现有的各个力学模型考察可知，针刺地毯复合材料尽管同这些聚 合物基复合材料之间存在相似之处，但是其特有的热成形过程决定了，若直接利用这些力学模型来 描述针刺地毯热成形时的力学行为，是不合适的。与纤维增强聚合物基层压复合材料( f i b e r r e i n f o r c e m e n tp o l y m e rm a t r i xl a m i n a t ec o m p o s i t e ) 相比，尽管二者都是分层结构，但汽车针刺地毯结 构中的纤维不再分层有序；相比与织物复合材料( 白b r i c t e x t i l es t r u c t u r ec o m p o s i t e ) ，虽然二者中的 纤维都呈现三维网状，但是汽车针刺地毯中包含的是非织造布结构，其中的纤维是无序堆积的，完 全不同于织物的有序结构；而与树脂转移模塑成形复合材料( r e s i nt r a n s p o r tm o l d i n gc o m p o s i t e ) 相 比，尽管二者在成形过程中都经历了熔融态向固态的转变，但是汽车针刺地毯中的胶乳，并没有发 4 第一章绪论 生充模浸润现象。 进一步的，对这些已有材料模型建模思想的研究表明，若从复合材料细观力学的角度对汽车针 刺地毯复合材料展开研究，存在一定难度。针刺地毯中，其毯坯层只是“部分”浸润于胶乳，这使 得层压复合材料建模时的“体积分数”l 瓤蝴1 思想难以应用，“桥联矩阵”1 4 9 - 5 2 1 方法难以实施。地毯针 刺毯坯层中纤维无序堆积的状态，使得用于织物复合材料建模时“代表性单元”1 5 孓弼】的处理方法不 再可行在树脂转移模塑成形复合材料的力学建模过程中，熔体充模流动时的浸润行为以及所发生 的化学反应，是需要解决的两个关键问剧5 9 - 7 4 | ，而汽车针刺地毯最终的模压成形工序，这两种现象 都没有发生。所以，本文采用复合材料宏观力学的分析方法，建立了针刺地毯复合材料的热力耦合 非线性枯弹力学模型。 1 3 3 粘弹性材料模型综述 1 3 3 1 粘弹性本构模型进展 材料的粘弹性被认为是一种“率相关”( r a t ed e p e n d e n t ) 的性质。材料的“弹性”被定义为材料 的受力仅依赖于当前时刻的变形，当外力去除时，材料恢复原状的性质，材料的弹性变形过程不伴 随能量的任何耗散。而材料的“粘性”性质将使材料在变形时产生不可逆的耗散热。当前已有的高 分子材料粘弹性本构模型分为两类：一类是从连续介质力学出发，采用唯象学的观点描述高分子材 料的应力应变关系，另一类是根据微观离散的高分子链的力学模型，用非平衡态统计力学和连续介 质力学混合的方法导出本构方程1 7 5 - 7 s j 由于后一种力学模型还不成熟，目前并未应用于高分子材 料的实际加工过程，本文着重研究第一类的粘弹性模型。 历史上，关于高分子材料粘弹性本构方程的研究就始于连续介质力学的唯象描述。此类本构理 论设想粘弹性体中有两种基本的变形机制，一种是弹性，用弹簧元件表示，另一种是粘性，用粘壶 元件表示，由两种元件的串联和并联的组合，分别得到了m a x w e l l 模型和v o i g t 模型。它们是最简 单的一维线性粘弹性模型，分别用来描述高分子流体和高分子固体的粘弹性力学行为。这两个模型 最早以微分的形式表达，在1 9 0 0 年左右 7 9 1 ，b o l t z m a n n 提出了叠加原理，得到了这两个模型等效积 分形式的表达。之后的学者们在此基础上，或将m a x w e l l 模型和v o i g h t 模型进行某种组合，或直接 将弹簧元件和粘壶元件进行某种组合，用以描述某一特定高分子材科的粘弹行为。同时，利用 b o l t z m a n n 叠加原理实现本构方程表达上在微分形式和积分形式之间的互化，以应用于不同的运算场 合。迄今为止，这依然是应用线性粘弹性本构模型所采用得方法。目前比较常用的模型还有三参数 粘弹性固体模型，广义m a x w e l l 模型以及广义v o i 曲t 模型等。 高分子材料非线性粘弹性行为的研究，最早源于1 9 4 3 年l e a d e r m a n 舳1 所做的工作，他将一维线 性本构方程进行了基于经验的推广在此基础上，1 9 5 7 年g r e e n ，r e v l i n 和s p e n c e r i s l - s 3 采用一个以 应变历史为自变量的张量函数，提出了一个广义的非线性粘弹性法则，描述了材料的应力松弛接 着，p i n k i n i s 4 1 和l o c k e t t 驺1 分别于1 9 6 4 年和1 9 6 5 年提出了各自的本构模型，将松弛行为用一系列的 遗传积分形式描述。n o l l s 6 1 和c o l e m a n s 7 l 在1 9 5 8 1 9 6 1 年这段时间里详细考察了g r e e n 的理论并做出 5 ：海交通人学博卜学位论文 了进一步的推广。值得注意的是，1 9 6 1 年b e m s t e i n g s l 等针对弹性流体的松弛行为提出了本构模型， 该模型首次以单个积分的形式尝试描述了非线性枯弹行为。不过，上述这些1 f 线性粘弹理论或者由 于缺乏理论基础，或者表达形式过于复杂，并没有得剑j “泛的推，“和应用。直剑1 9 6 0 年间 r a s c h a p e r y 【s 卿2 l 提出了他的非线性粘弹本构理论，这种情况才得以改观。s c h a p e r y 基于不可逆热力 学的基本原理推导出了非线性粘弹性本构方程，已有的线性枯弹性本构模型被作为其模型的特例包 含其中，同时s c h a p e r y 模型的本构方程具有便于运算的单积分形式。自此，非线性粘弹性本构模型 的应用才真正得到广泛的发展。19 7 1 年l o u 和s c h a p e r y p a l 一起最早将该模型用于纤维增强聚合物基 复合材料力学行为的描述。1 9 8 2 年p e r e t z 等1 9 4 , 9 5 1 将s c h a p e r y 模型应用于胶黏剂材料( f m 7 3 ) 粘弹 行为的描述。自上世纪8 0 年代中叶始，学者们利用s c h a p e r y 材料模型，在聚合物基复合材料领域 进行了以下工作：m o h a n 等j 研究了聚合物基体和复合材料整体的非线性蠕变恢复行为，t u r t l e 等瞰1 通过实验的手段获得了复合材料层压板的宏观蠕变柔度，h a 等【9 8 l 研究了高温下复合材料层压板的粘 弹行为，w a i r a t h l 9 9 j 基于分层的观点研究了单轴取向的纤维增强复合材料的粘弹行为， h o m s c h e n k o f f b o o l 引入正交性假设，得到了树脂基复合材料的蠕变柔度。目前，用s c h a p e r y 非线性粘 弹性模型来描述高分子材料以及高分子复合材料的力学行为，已获得广泛接受f 1 0 l 】。 1 3 3 2 用于有限元数值计算的粘弹性本构模型 尽管在理论研究领域，非线性的粘弹性本构模型已经成为主流和热点，但是在有限元数值仿真 领域，对材料粘弹性质的描述，目前还是选用线性的本构模型居多，m a x w e l l 模型和v o i g t 模型仍是 被最多采用的模型。为了改善模型的精度，很多学者仍是习惯于沿袭传统的方法，通过将弹簧元件 和粘壶元件进行各种组合来实现。 在材料的粘弹行为不涉及温度场影响的场合，这种弹性和粘性元件线性组合的方法足以满足工 业中运算精度需要。但是，对于需要考虑温度效应的场合，如针刺地毯复合材料的热成形过程，材 料的粘弹行为表现出强烈的非线性，此时必须引入相应的非线性粘弹本构模型，才能保证数值分析 结果的精度。由于r a s c h a p e r y 非线性粘弹本构模型具有便于运算的单积分表达形式，自h e r i k 辩n f l 0 2 l 于1 9 8 4 年将其应力松弛模型写入有限元算法以来，陆续有一些学者在数值模拟中引入了s e h a p e r y 模型，如r o y 等f 1 0 3 蠕其引入胶粘复合材料受湿度影响的失效分析，w 1 0 4 肄和k e n n e d y t l 0 5 1 等将其应 用于层压复合材料的应力分析等。可以预见，将会有越来越多的数值模拟选择s c h a p e r y 模型，以描 述材料的非线性粘弹特征。 1 4 本文的研究内容 本文的研究受到了国家自然科学基金“汽车地毯热力塑性成形理论与方法的研究一项目( i t e m n o 5 0 3 0 5 0 2 0 ) 的资助。围绕“汽车针刺地毯复合材料的热成形性能”这一研究课题，我们按照逐层 深入的原则，制定了系统的研究计划，总体而言，包括了以下四个方面的研究内容： 6 第一章绪论 l 、汽车针刺地毯复合材料力学行为研究：通过三种针刺地毯材料试样在不同传热条件卜的人量 基本力学实验，提炼针刺地毯复合材料高温力学性能的普遍规律；廊朋聚合物材料粘弹性基本原理， 揭示两类典型结构的汽车针刺地毯在不同温度下的变形机理。 2 、建立汽车针刺地毯复合材料热力耦合粘弹性力学