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汽车涂层抗石击性能有限元分析与评价

汽车涂层抗石击性能有限元分析与评价

作者：陈力华南理工大学

学位级别：硕士

汽车涂层指涂覆于汽车车身的漆膜,它的抗石击性能与汽车外观及安全性能密切相关,针对汽车涂层抗石击性能进行分析与评价对于改善涂层设计、提高汽车涂层抗石击性能具有重要意义。鉴于实验研究方法存在成本高、重复性差等缺点,本文采用... 详细信息

汽车涂层指涂覆于汽车车身的漆膜,它的抗石击性能与汽车外观及安全性能密切相关,针对汽车涂层抗石击性能进行分析与评价对于改善涂层设计、提高汽车涂层抗石击性能具有重要意义。鉴于实验研究方法存在成本高、重复性差等缺点,本文采用有限元方法仿真分析了汽车涂层单颗粒冲击破坏现象,并提出了一种汽车涂层抗石击性能标准实验仿真评价方法用于预测标准实验中涂层的破坏行为,从而实现高效率、低成本地评价汽车涂层抗石击性能。主要研究内容包括:建立了一个同时考虑层内破坏与层间破坏的汽车涂层单颗粒法向冲击有限元模型,仿真结果与实验结果良好的一致性验证了该模型的有效性。基于仿真结果,对汽车涂层冲击破坏机理进行了分析,研究发现,层内破坏同时存在脆性与韧性两种破坏机理,层间破坏的扩展分为三个阶段,各阶段破坏机理各不相同。基于已经得到验证的汽车涂层单颗粒法向冲击有限元模型,仿真分析了边界条件以及中涂层材料性质(弹性模量、屈服强度与再硬化模量)对汽车涂层抗石击性能的影响。结果表明:1、边界条件对汽车涂层抗石击性能影响较小;2、提高中涂层弹性模量能够显著提高汽车涂层抗石击性能;3、中涂层屈服强度对汽车涂层抗石击性能影响较小;4、提高中涂层再硬化模量能够在一定程度上提高汽车涂层抗石击性能。提出了一种汽车涂层抗石击性能标准实验仿真评价方法。该方法基于若干组特定工况下的单颗粒冲击仿真破坏面积,建立汽车涂层单颗粒冲击破坏面积插值函数,根据颗粒和流体耦合分析得到的颗粒冲击速度与角度,插值计算冲击颗粒对涂层样本的单颗粒冲击破坏面积,随后根据颗粒冲击位置信息生成汽车涂层抗石击性能标准实验的可视化结果,从而计算标准实验中汽车涂层的破坏面积,实现汽车涂层抗石击性能的高效率评价。最后,给出了一个汽车涂层抗石击性能标准实验仿真评价实例。综上所述,本文的研究成果能够用于指导涂层改进设计,有助于提高汽车涂层抗石击性能,具有重要的工程应用价值。

关键词：汽车涂层数值仿真抗石击性能冲击破坏机理

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汽车涂层冲击破坏现象仿真与实验研究

汽车涂层冲击破坏现象仿真与实验研究

作者：杨红华南理工大学

学位级别：硕士

汽车涂层抗冲击性能对汽车的安全性和美观性至关重要,近年来引起了国内外许多学者和相关企业的关注。目前,对于涂层抗冲击性能的研究主要依赖于标准实验,基于有限元等数值计算方法的仿真分析尚处于探索阶段。本文使用实验室自主开发的... 详细信息

汽车涂层抗冲击性能对汽车的安全性和美观性至关重要,近年来引起了国内外许多学者和相关企业的关注。目前,对于涂层抗冲击性能的研究主要依赖于标准实验,基于有限元等数值计算方法的仿真分析尚处于探索阶段。本文使用实验室自主开发的有限元专用软件,研究钢球与落锤对汽车涂层样本的冲击破坏响应。主要内容包括:采用有限元方法研究汽车涂层单颗粒冲击破坏现象,层内损伤与层间破坏模式的仿真结果与实验结果一致,验证了仿真模型的有效性。分析涂层的损伤演化过程,发现单颗粒冲击过程中,色漆层、中涂层和电泳层在冲击中心区域因挤压发生韧性破坏。清漆层因拉应力发生脆性破坏,形成中心区域损伤、径向裂纹与周向裂纹。涂层与基底界面间剪切应力诱发分层,涂层内部的径向压应力导致涂层屈曲,在混合模式下分层扩展。为了研究快速变形下涂层的破坏抗性,分别进行了涂层样本正面与反面落锤冲击有限元仿真分析,仿真结果的冲击力历程曲线、层内损伤与层间破坏模式与实验结果一致较好,验证了有限元模型的有效性。分析涂层冲击破坏过程,发现反面冲击下,涂层材料受拉变形,中涂层最先发生损伤并扩展至表面形成裂纹。由于涂层材料损伤,裂纹扩展至界面引发界面破坏,在混合模式下界面分层扩展。正面冲击下,落锤冲击涂层样本,套筒约束边界区域拉应力集中,形成外圈裂纹带。冲头挤压涂层,界面剪切应力引发界面损伤,界面承载能力不足,电泳层受到冲头挤压发生较大变形,拉伸应力激增导致材料失效,裂纹扩展至表面形成内圈裂纹带。与冲头接触区域下方的界面分层与扩展是由剪切应力控制;界面其它区域是在混合模式下分层扩展的。鉴于反面冲击破坏现象与涂层整体韧性的直接相关性,通过落锤反面冲击仿真模型研究了中涂层厚度、中涂层材料物性、界面性能对涂层破坏抗性的影响。增加中涂层厚度会加剧冲击破坏程度,降低中涂层弹性模量或者提高界面能量释放率,能够提高涂层的破坏抗性。中涂层拉伸强度对涂层破坏抗性的影响很小,界面强度对破坏抗性的影响表现为:提高界面强度能够减轻层内损伤程度,但会加剧层间破坏程度。综上所述,本文的研究成果将对汽车涂层的结构设计和涂料配方设计提供重要参考,具有重要的工程应用价值。

关键词：汽车涂层损伤模型冲击破坏数值模拟

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汽车涂层力学性能测试及分析

汽车涂层力学性能测试及分析

作者：罗正怡西南交通大学

学位级别：硕士

汽车涂层是涂层复合材料的一种重要应用。经过百余年的发展,汽车涂层从只具有单一功能的单层涂层发展成为了具有多种功能的多层涂层。而汽车涂层的力学性能决定着涂层的表面性能(如抗划伤能力、服役寿命等等),影响着整车质量的优劣。因... 详细信息

汽车涂层是涂层复合材料的一种重要应用。经过百余年的发展,汽车涂层从只具有单一功能的单层涂层发展成为了具有多种功能的多层涂层。而汽车涂层的力学性能决定着涂层的表面性能(如抗划伤能力、服役寿命等等),影响着整车质量的优劣。因此,对汽车涂层力学性能的研究具有重要的现实意义。本论文针对汽车涂层研究现状,开展了以下工作: 1.对汽车油漆材料进行常温拉伸试验,得到了五种不同的汽车油漆的拉伸应力-应变曲线以及弹性模量、屈服强度、极限强度等主要力学参数。并得到了相应本构模型的相关参数,为分析汽车涂层的力学性能提供了参考数据;2.对面漆和中涂漆进行纳米改性实验。结果表明,对面漆和中涂漆添加质量分数为5%的α-AlO纳米颗粒后,发现材料的力学性能发生了一定的变化。在添加纳米颗粒的同时加入偶联剂会使材料的力学性能有明显的增强;3.利用划痕实验方法评价两种不同的汽车涂层的抗划伤能力。实验结果表明,金属闪光系汽车涂层抗划伤能力优于本色系汽车涂层。同时,在法向加载速度相同的情况下,水平加载速度越快,涂层越容易破坏;4.利用MARC有限元分析软件对本色系汽车涂层进行划痕实验的数值模拟。分析了汽车涂层中的应力及危险区域,得到了临界载荷的计算值。通过对本色系纳米增强汽车涂层的模拟,发现临界载荷有明显增加。

关键词：汽车涂层力学性能弹性模量屈服强度极限强度纳米改性抗划伤能力临界载荷有限元

灰色理论在汽车涂层自然老化预测中的应用研究

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涂料工业 2017年第9期47卷 64-69页

作者：王剑潘晓涛张晓东曾文波揭敢新刘杰广东工业大学广州510006 中国电器科学研究院有限公司工业产品环境适应性国家重点实验室广州510663

根据灰色理论构建GM(1,1)预测模型,对干热环境下自然暴晒黑色汽车涂层的光泽变化和色差变化情况进行预测,研究所建预测模型在黑色汽车涂层自然老化行为预测中的适用性;对黑色汽车涂层的光泽和色差的预测结果表明:所建模型的预测精度等级... 详细信息

根据灰色理论构建GM(1,1)预测模型,对干热环境下自然暴晒黑色汽车涂层的光泽变化和色差变化情况进行预测,研究所建预测模型在黑色汽车涂层自然老化行为预测中的适用性;对黑色汽车涂层的光泽和色差的预测结果表明:所建模型的预测精度等级为2级以上,模拟值与实际值的最大相对误差为5.4%,模型可以用于黑色汽车涂层自然老化行为的预测,并预测某车型汽车后保险杠涂层在吐鲁番典型干热环境下使用寿命为24个月。

关键词：汽车涂层灰色理论干热自然环境寿命预测

基于CFD-DEM-Wear耦合方法的汽车涂层抗石击性能仿真研究

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基于CFD-DEM-Wear耦合方法的汽车涂层抗石击性能仿真研究

作者：钱嘉诚华南理工大学

学位级别：硕士

汽车涂层作为汽车表面的保护层,对于汽车的美观性和安全性十分重要。然而,汽车表面在汽车高速行驶过程中不可避免地会受到路面溅起碎石的冲击,涂层可能因此而受损,影响汽车车身的性能。目前,汽车及涂料企业常用试验方法评价汽车涂层的... 详细信息

汽车涂层作为汽车表面的保护层,对于汽车的美观性和安全性十分重要。然而,汽车表面在汽车高速行驶过程中不可避免地会受到路面溅起碎石的冲击,涂层可能因此而受损,影响汽车车身的性能。目前,汽车及涂料企业常用试验方法评价汽车涂层的抗石击性能,即在抗石击试验仪上进行标准试验,通过将涂层损伤结果和标准图片结果对照以进行性能评估。但是,这种基于试验的评价方法成本高、效率低,并且重复性较差,多次试验的结果可能会有较大的差别。本研究的主要目的是通过一种CFD-DEM-Wear耦合仿真计算方法,以计算机仿真的方式准确有效地模拟出标准试验中冲击用介质在抗石击试验仪中的运动过程以及涂层样本的受击损伤状况。为了达到这一目的,本文采用了一种耦合非解析计算流体力学(CFD)和离散单元法(DEM)的方法计算流体和颗粒之间的相互作用。为了准确描述颗粒粒径比流场网格尺寸大的颗粒,本文提出了刚性连接颗粒法。通过这种方法,每个实际的球形或者非球形颗粒都可以通过一组刚性连接且无重叠的球形颗粒组成的颗粒团近似描述,并基于颗粒团中每个成员小球模拟颗粒与流体间的相互作用。颗粒冲击涂层样本造成的冲击损伤,将采用磨损模型进行计算。本文首先对高雷诺数下水平圆管内单个球形大颗粒的运动实验进行仿真,得到了与实验结果基本一致的大颗粒运动轨迹,验证了刚性连接颗粒法在不同气压条件下的可行性。然后,将CFD-DEM-Wear模型应用于汽车涂层抗石击性能的两个标准试验,即DIN 55996-1和SAE-J400-2002标准试验,从颗粒冲击涂层样本瞬间的速度和涂层样本受损状态两个方面对仿真结果进行评价。仿真计算结果与实验吻合良好,证明了耦合计算方法在评价涂层抗石击性能方面的应用价值。在此基础上,本文还研究了颗粒初始速度、涂层样本安装角度对汽车涂层冲击损伤的影响。最后,基于标准试验现象时间较长、试验过程中颗粒流基本稳定的特点,提出了利用随机函数提高涂层损伤仿真效率的方法,即对于现象时间较长的标准试验,可以利用前段时间仿真所得的涂层损伤结果预测后段剩余时间的涂层受损情况。

关键词：汽车涂层 CFD-DEM 磨损模型非球形颗粒复合颗粒

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汽车涂层样本单颗粒冲击破坏仿真分析

汽车工程学报 2024年第1期14卷 116-124页

作者：杨红陈力邹晨祺臧孟炎华南理工大学广州510640

研究汽车涂层在冲击载荷下的破坏现象,对于预测涂层抗石击性能以及指导涂层结构设计和优化具有重要意义。建立了汽车涂层样本单颗粒冲击破坏有限元模型,使用自主开发的显式有限元求解器模拟汽车涂层冲击破坏过程。涂层层内破坏、基底与... 详细信息

研究汽车涂层在冲击载荷下的破坏现象,对于预测涂层抗石击性能以及指导涂层结构设计和优化具有重要意义。建立了汽车涂层样本单颗粒冲击破坏有限元模型,使用自主开发的显式有限元求解器模拟汽车涂层冲击破坏过程。涂层层内破坏、基底与涂层界面分离破坏模式的仿真结果与试验结果的良好一致性,验证了仿真分析方法的有效性,揭示了涂层在冲击载荷下的层内破坏与界面分离破坏的失效机理。

关键词：汽车涂层冲击载荷损伤模型数值模拟

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基于整车自然暴露试验的汽车涂层耐候性研究

汽车零部件 2023年第6期 59-62页

作者：文云雄张晓东陈秋岸广州电器科学研究院有限公司海南热带环境分公司海南琼海571400 中国电器科学研究院股份有限公司广东广州510663

以蓝、银、黑3种常见的车身金属漆为研究对象,通过湿热环境下的整车自然暴露试验结果来分析不同颜色、不同部位涂层的耐候性情况。结果表明:实际暴露试验中蓝色车身涂层的耐光老化性能表现较差,黑色和银色车身行李箱盖部位涂层黏附性需... 详细信息

以蓝、银、黑3种常见的车身金属漆为研究对象,通过湿热环境下的整车自然暴露试验结果来分析不同颜色、不同部位涂层的耐候性情况。结果表明:实际暴露试验中蓝色车身涂层的耐光老化性能表现较差,黑色和银色车身行李箱盖部位涂层黏附性需要进一步优化加强;外部大气环境对车顶或机舱盖等近似水平角度的涂层综合作用最为明显,在车身涂层耐候性考察方面应当以车顶或机舱盖老化情况为依据,样板涂层开展自然暴露试验时建议采用水平角度。

关键词：汽车涂层耐候性湿热环境环境适应性

基于纳米压痕法奔腾B70车身涂层力学性能的研究

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科学技术与工程 2015年第12期35卷 157-160,167页

作者：张辽辽安美文太原理工大学应用力学与生物医学工程研究所太原030024

对奔腾B70轿车车身涂层的各漆层:磷酸锌层、电泳层、中漆层和面漆层分别进行了纳米压入实验,以此来研究不同漆层的力学性能。实验结果表明:磷酸锌层的硬度和弹性模量最大,其组织的密实程度最高,具有良好的防腐性能;对于电泳层、中漆层... 详细信息

对奔腾B70轿车车身涂层的各漆层:磷酸锌层、电泳层、中漆层和面漆层分别进行了纳米压入实验,以此来研究不同漆层的力学性能。实验结果表明:磷酸锌层的硬度和弹性模量最大,其组织的密实程度最高,具有良好的防腐性能;对于电泳层、中漆层和面漆层,其中面漆层的硬度最高,具有良好的抗压性能;电泳层和中漆层硬度差距不大但明显小于面漆层;而电泳层的弹性模量高于面漆层,面漆层高于中漆层,这也表征了在抗塑性变形能力上也是依次递减的;此外,在抗蠕变性能方面为磷酸锌层最好,其次为面漆层和中漆层,并且两者差距不大,而电泳层具有较好的蠕变变形能力。

关键词：汽车涂层力学性能纳米压痕蠕变

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基于连续损伤力学的车身涂层损伤模拟研究

基于连续损伤力学的车身涂层损伤模拟研究

作者：陈延红吉林大学

学位级别：硕士

汽车车身涂层不仅对汽车起着装饰的作用，而且能保护汽车以防止腐蚀、抵抗石击和防止被刮伤等。因此研究汽车车身涂层具有重要的现实意义。本论文的主要内容如下：第一章首先简要介绍了研究汽车涂层的重要意义，即选题依据。在确定本... 详细信息

汽车车身涂层不仅对汽车起着装饰的作用，而且能保护汽车以防止腐蚀、抵抗石击和防止被刮伤等。因此研究汽车车身涂层具有重要的现实意义。本论文的主要内容如下：第一章首先简要介绍了研究汽车涂层的重要意义，即选题依据。在确定本文研究课题的基础上，简述了汽车车身涂装的发展史：包括汽车涂层的分类方法、涂装所用的典型涂料、各个阶段车身涂层所能实现的功能和优缺点、涂装工艺的进展以及汽车涂装工业的全球化。随后调查了该领域的相关文献，总结了当前汽车涂层技术的发展状况和研究现状，指出了当前研究的不足之处和今后的发展趋势。最后结合本文作者的专业知识，针对性的提出本文的具体研究内容。第二章首先简要介绍损伤力学产生的工程背景，并将损伤力学与传统宏观连续体力学（比如弹性力学、塑性力学等）和微观力学（比如量子力学、晶体力学）进行了比对和评价;从而简述了损伤力学与其他力学之间各自的优缺点以及它们之间的相互联系。随后介绍了损伤力学中最关键、最重要的概念－损伤变量，以及不同文献对损伤变量的不同定义方法。最后陈述了如何利用三种等效性假设，将损伤变量引入到材料的本构方程（应力－应变）中，以更加准确预测和求解工程问题的应力、应变。第三章首先说明要对车身涂层系统进行损伤模拟分析，必须先建立适合于涂层材料的本构模型。然后根据上一章关于损伤力学的原理，在宏观本构关系中引入损伤变量以及反映材料蠕变硬化等诸多力学参数，建立了反映微结构变化累计效应的宏观力学本构模型。由于上述本构方程组中有诸多材料参数是未定的，因此本章还介绍了进化规划算法的原理以及如何运用该算法拟合和确定五种典型车身材料的参数。此外还由于大部分有限元软件包括ABAQUS只可能涵盖部分典型的材料的本构模型，因此对于用户自定义的本构模型，需要通过有限元软件本身提供的自定义接口，将建立的本构模型嵌入到有限元软件进行数值求解。因此在随后的章节中介绍了ABAQUS提供子程序接口VUMAT以及相应的子程序语法。通过分析建立的本构方程组结构以及VUMAT的语法，编写了FORTRAN子程序代码将本构模型嵌入ABAQUS/Explicit中，从而完成了车身涂层损伤分析的力学模型建模。第四章首先论述车身涂层系统有限元几何模型简化的必要性。随后结合涂层系统几何结构的特殊性研究了几何模型尺寸对涂层性能（承载能力、抗划伤能力）预测结果的影响，结果表明典型的车身涂层/基体系统不像TiN/Cu系统一样存在显著的模型尺寸效应，有限元模型几何尺寸的大小对力学性能预测的结果几乎没有影响。基于上述结论，并结合汽车车身涂层系统的结构特点（钣金件厚度一般落在0.8mm到2mm之间、单层涂层厚度在20μm到40μm之间），对典型车身涂层/基体系统进行一系列有限元分析。结果表明，损伤力学模型不仅可以得到涂层和基体的应力分布，而且可以直观地看到涂层在载荷作用下的涂层损伤过程，因而可方便地对涂层失效进行预测。随后研究了涂层材料、厚度与车身涂层系统承载能力和抗划伤能力的影响，得出承载能力和抗划伤能力与涂层厚度分别成反比和正比关系、与涂层材料关系不大的结论。第五章对本论文进行总结与展望。总结了本文的研究内容、方法、结论以及创新之处等等。最后对本文的需要改进的地方进行了必要的说明，展望了本文方法的需要做的后续改善工作。

关键词：汽车涂层损伤力学承载能力抗划伤能力