复合材料力学测试在大学生方程式赛车单体壳车身中的应用
摘要：受到F1赛事的启发，IMechE与Formula SAE在世界范围内每年为大学生组织了一场由学生自己设计制造小型单人赛车的竞赛。由于车身的重量和扭转刚度直接影响了车的动态性能和驾驶员的安全性，因此底盘和车架的设计是比赛的重要部分。此外，底盘质量的减轻也直接影响到车上其他部件的设计，更重要的是可以提高比功率和气动性能。因为发动机或者电机的动力输出限制在80kw，提高比功率需要减轻底盘的重量。为了整车的轻量化，ION赛车队决定采用单体壳车身设计。为了满足底盘的需求，单体壳设计时应提供足够的扭转刚度和在碰撞工况下的吸收能量。
本文的研究内容基于大学生方程式竞赛，作为研究内容的一部分，不同的力学性能测试旨在单体壳设计的力学性能。通过对复合材料夹层结构力学性能及竞赛规则中单体设计要求的综合理论研究，进行了三点弯曲试验、周向剪切试验、吸收能试验等多种试验。测试样件为自制并且和单体壳侧边冲击区有相同的尺寸为275*500mm，所以获得的实验结果具有代表性。测试并对比了使用相同芯材不同铺层和相同铺层不同芯材的层合板样件，同时也研究了芯材厚度的影响。此外，还进行了分析计算和数据分析以检查是否符合和SAE/AISI1010钢管的等同性规则。实验结果与计算结果进行了对比，包括弯曲实验、扭转刚度实验、能量吸收、屈曲等。
所得结果表明设计单体壳选用的复合材料的性质和强度与焊接的车架具有同等结构属性，符合竞赛需求。所开发的计算分析算法和关系对之后设计单体壳使用不同的铺层和组合具有指导意义。
关键词：复合材料；大学生方程式；ion车队；单体壳设计；结构等同性。
- 简介
基于从问题中学习的原则，学生竞赛已经成为世界范围内工科学生学习过程的重要部分。
Stavanger大学的学生团队理解这一事实并有获得工程技能的需求，开始参加国际知名的大学生方程式赛车项目，设计制造一辆单座赛车并参加由IMechE在伦敦银石举办的竞赛。迄今为止，车队已设计并制造了四辆赛车，前两辆为燃油驱动，后两辆为电驱动。
在这之中，底盘和车架是赛车的重要组成部分，因此它的设计和结构在赛车上扮演了重要角色。它的质量和刚度特性直接关系到整车的性能和驾驶员的安全性。除了承载汽车的所有部件，底盘还承受或传递在加速、减速和转弯过程中产生的所有力。此外，底盘质量的减轻也直接影响到车上其他部件的设计。底盘的轻量化也同样可以提高比功率和空气动力学性能。综上所述，使用碳纤维复合材料制成的单体壳底盘特别是在赛车领域的好处在于结合了一定的强度和韧性。然而，使用碳纤维技术的产品造价高和再循环能力差是碳纤维单体壳取代金属单体壳的一大阻碍。因此，比赛规则要求单体壳结构的强度要比传统钢管桁架结构的车体相同或更高。特别的，三明治结构层合板的测试样件在指定的尺寸下应能证明其力学性能强于两根钢管。
复合材料的特性和表现依赖于构成层合板的单层的特性以及界面特性。虽然代表性单元是均质和正交各向异性的，但是复合材料产品是非均质并具有各向异性的力学特性，这就要求对复合材料制成的部件进行试验和数值计算。为了使复合材料具有理想的特性，过去的二十年间相关的研究活动和出版物经历了指数级的增长。为了解决相关问题，Gibson进行了一项关于多功能复合材料的文献综述工作并且评估了该领域的关键问题。该篇综述关注了结构功能包括强度、刚度和衰退特性以及非结构功能包括电、能量存储及其衰退特性。复合材料在结构和非结构功能上的组合性能引发了新型复合材料的研究和应用。复合材料作为结构材料已在工业领域得到了大范围的应用例如汽车，航空航天，能源，船舶及港口等。为了反映相关研究的结果，一些关于力学性能研究、有限元模型及分析，复合材料成型工艺的文章也逐渐发表。
本文研究工作的目标是通过力学性能测试来表征用于构成单体壳底盘的复合材料层合板的力学特性。本文所研究的单体壳底盘是为大学生方程式赛车所设计，因此层合板的力学性能测试根据竞赛规则进行。本文细分成6个部分。接下来的部分（第二部分）简要的阐述了为大学生方程式赛车设计单体壳底盘的背景，第三部分阐述了单体壳的设计需求，第四部分介绍了测设设备、材料及测试方式，第五和第六部分讨论了测试结果并从相关的研究中得出了结论。
2 理论背景简介
在赛车中有两种常用的底盘形式，空间桁架结构和单体壳结构（如图1所示）。空间桁架结构是以三角形结构原则由金属管件为单位构成，只传递纯粹的拉伸和压缩载荷，管件通过焊接形成桁架结构。
空间桁架结构由于其设计简便，构造简单且易于和车上其他部件形成一体受到许多大学生方程式赛车队的青睐。它也能提供高的扭转刚度，这是赛车底盘一个重要的评价指标。该结构扭转刚度的提高是通过构造具有高截面惯性矩的结构或是采用高质量密度的材料来实现。这两种方案均会使得空间桁架结构底盘质量过大，得不到理想的轻量化效果。而单体壳设计方案在赛车领域是一种创新底盘设计方法，它将高效的设计流程和低质量相结合。这是一种没有实体框架的板件结构设计，可承受驱动力和从悬架系统和空气传递来的外部动态载荷。在单体壳设计方案中，类似于铝合金、复合材料、钢等被用于构成底盘。由于复合材料高刚度和比强度高的特性，赛车的单体壳设计，包括在大学生方程式中均采用了复合材料层合板。这种设计的另一个新颖之处是可以将低重量和高扭转高度相结合。此外，虽然制作流程所需的技术要求低，但是复合材料本身较为复杂并且材料费用较高。
（a）空间桁架结构 （b）单体壳
图1 两种常用的底盘设计
大学生方程式竞赛规则要求底盘必须是由三角结构构成来提升整体扭转刚度。采用三角结构原则进行设计时，需要在由四个构件组成的结构上提供一个对角单元（图2（a）），以便将截面剖分成两个三角形截面。如图2（b）所示， 空间桁架结构设计的刚度由对角线单元保证，而如图2（c）所示的单体壳底盘面板作为结构的加强筋，它的作用类似甚至优于空间桁架结构的对角线加强。更多的是，底盘应该保证具有理想的滚动力矩的分布，使车在不同的驾驶条件下保持良好的平衡；必须能吸收高冲击的能量，提高驾驶员在发生碰撞情况下无损伤存活的可能性。金属制单体壳底盘通过变形来说提供所需要的能量吸收，复合材料则通过材料失效吸收能量。单体壳底盘的工艺流程并没有很高的技术难度，但是有效的设计、分析性和制造复合材料层合板需要对复合材料具有基础理论的理解。这些理论如今可以在许多文献中获得，因此本文未涉及这些理论。
图2 三角结构原则和扭转工况下的单体壳设计
3 大学生方程式赛车的单体壳设计需求
为了保证驾驶员的安全，赛事规则规定了单体壳设计、结构和材料测试的一系列要求。违反或者无法完全满足这些要求会导致丧失比赛分数或是取消赛车的比赛资格。因此，车队应提供车身各区域所用材料测试结果的相关文档。该文档由一份Excel表格呈现，该表格也称为结构等同性表格（Structural Equivalence Sheet，即SES），用于证明单体壳结构所用材料与焊接钢管车架在能量吸收、极限强度、弯曲、屈曲等方面具有同等的特性，摘录该表格的一部分内容如表1所示。该表格第一列和第二列展示了规则和其序号，右边的几列列出了评价标准。为了通过SES表格，每一条相关的标准都应显示绿色的背景，表明了该值优于预定义的参考值。
表1 SES表格
要求最高的是位于驾驶员两侧的侧面防撞区域所使用的层合板。对于单体壳的这一部分，规则表明应使用同样的设置对两根基准钢管进行测试，将测试结果作为基准，层合板变形至12.7mm时应能承受更高的载荷，弯曲刚度更高，吸收更多的能量。理论上基准钢管的各项参数可由以下关系式计算（1）。
抗弯刚度：
弯曲刚度： （1）
能量吸收：
式中，钢管的弹性模量E=200000Mpa，I——管的惯性矩（mm4），D——管的外径（mm），d——管的内径（mm），n=2——管的数量，（N）—— 无位移时的力，（N）—— 位移为12.7mm时的力，=0mm，=12.7mm用于参考的梁位移，=在时梁的位移。
在传统力学中， 对称载荷的简支梁的力-位移关系如下式所示：
（2）
基于以上梁的位移变形公式，复合材料层合板（图3）的弹性模量由下式计算：
（3）
复合材料层合板的力—位移关系的斜率（）和惯性矩（）的计算公式如下所示
（4）
（5）
式中，、、和和式（1）中所定义的相同，对复合材料层合板也同样有效。在（4）式中的表示测试设备的setup compliance，用于补偿测试设备可能存在的不可靠性。层合板的其他尺寸参数如图3所示。
图3 复合材料层合板的尺寸参数
4 测试设备、材料和方法
大学生方程式竞赛要求进行不同的力学性能测试来保证单体壳所使用复合材料具有足够的强度和吸能特性。本文包括的主要测试内容包括:1)3点弯曲测试，2）圆周剪切测试以及3）能量吸收测试。
A.3点弯曲测试
3点弯曲测试采用英斯特朗5980万能试验机。该项测试相对简单，将层合板简支在两支架上，在板中心处施加载荷。因此，多次测试可以获得材料的属性例如在弯曲工况下弹性区间的弯曲应力，应变和刚度，实验设置和尺寸如图4所示。
图4 （a）3点弯曲实验设置，（b）（c）样件的正视图和侧视图
对使用了不同碳纤维类型、芯材厚度、芯材类型、铺层等共64块样件进行了弯曲测试。测试中选用的PVC芯材厚度和密度如表2所示。在这些测试样件中，24块使用了Hexcel的碳纤维，剩下的38块使用了Toray碳纤维。
表2 测试中使用的PVC芯材的密度和厚度
这两种纤维的主要不同之处在于纤维缠绕的方向和纤维密度。 为了对纤维材料进行更细致的研究，使用扫描电子显微镜（SEM）并获得了如图5所示的图像。复合材料层合板中的粘接界面高度依赖于芯材类型。综合考虑产品质量及价格，选用Epikote235型环氧树脂及HexForce43245型碳纤维构成的层合板制成单体壳。扫描电子显微镜获得的图像如图6所示，纤维被完全浸渍在基体中（PVC泡沫芯材）。这将增强纤维和基体间的机械互锁性能。
（a）Hextow AS4C （b）Toray T700
图5 纤维微观图像
图6 层合板微观图
B圆周剪切测试
对用于单体壳的复合材料层合板进行圆周剪切测试是赛事的规则要求。该项测试的目的在于了解可以压穿上（外侧）蒙皮所需的最大载荷（Fmax），如图7所示。圆周剪切测试对于侧边防撞区域的层合板十分重要，因为该区域的层合板应能在碰撞工况下防止外部物体进入驾驶舱，以保证驾驶员的安全。该测试使用设备为英斯特朗5980型压力机，通过对一个外径为25mm的圆柱型冲头，以20mm/min的速度对样件进行加载。为了保证测试样品可以被完全穿透，在测试样件下放置了一块带有直径为32mm通孔的铝板，如图7所示。
图7（a）圆周剪切测试实验装置（b）实验装置安装
基于3点弯曲测试的结果，选择了35块可以满足要求由Toray碳纤维制成的层合板。圆周剪切实验的力—位移曲线如图8所示。穿透上（外部）蒙皮时的力为Fmax，该值用于计算式（6）所示的剪切应力，并将其与规则中的值进行比较。
剪切应力： （6）
式中，D=25mm为冲头的外部直径，t为上层蒙皮的厚度。
图8 圆周剪切测试力位移曲线
5 结果讨论
竞赛规则中的一项重要要求是用于构建单体壳的层合板应能吸收比基准钢管更多的能量。因此，对钢管车架使用的钢管进行了一些测试。图9所示为E235钢管的在弯曲载荷下的力-位移曲线图。基于3点弯曲测试的结果，吸收的能量值可通过力-位移曲线计算得出。基准钢管的测试结果如下所示：
极限载荷：Fmax=9092N，
吸收能量=98.2J，
弯曲刚度，EI=4.03E 8Nmm2
Setup compliance：Gs=6131Nmm。
图9 基准钢管（E235）的3点弯曲曲线图
圆周剪切测试和3点弯曲测试所获得的结果用于研究纤维铺层、芯材厚度、密度对于关键的评价指标——弯曲挠度、指定挠度处的最大载荷和能量吸收值的影响规律。图10所示的曲线图由部分实验数据中提取出。
图10 Toray纤维层合板样件的3点弯曲测试和剪切测试曲线
A 3点弯曲测试结果
铺层的影响规律：为了探究3点弯曲测试中所用的纤维铺层和性能指标间的关系 ，将选用了相同密度的H80纤维制成的层合板选出并绘制对比柱状图，样件铺层及测试结果如表3所示。
表3 样件铺层及测试结果
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英语原文共 9 页
资料编号：[5796]
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