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碳纖維復合材料結構設計葵花寶典,你想看嗎?

發布時間:2017-04-15 新聞來源:新材料在線 瀏覽次數:
 碳纖維復合材料結構設計要點

 

昨天跟英國TWI的專家交流,探討了用碳纖維復合材料代替傳統金屬材料,尤其在制造重要的結構部件中的思路。發現需要考慮的因素太多,以致無法確定主次先后。今天就列一個清單,細數碳纖維復合材料結構部件的設計要點。

 

內容所有涉及的復合材料結構一般是指碳纖維預浸料鋪層結構。


強度與剛度

既然是結構部件,那么設計者首先要考慮的是強度和剛度。部件在外力載荷的作用下,有抵抗變形與破壞的能力,但是這個能力又是有限度的。


如何確定部件的使用載荷,不會超出部件的能力極限,是通過材料力學計算得出。而部件的這個能力極限,就是碳纖維復合材料結構設計者需要考慮的問題。


通過合理的搭配纖維和樹脂,優化纖維排布,用最少的材料,滿足設計需求,體現了復合材料設計者精湛的技巧。不過決定復合材料強度與剛度的因素,不但與纖維和樹脂的種類有關,還與碳纖維的鋪層方向以及層與層之間結合搭配有關。


所以,設計者在設計碳纖維復合材料結構部件時,需要考慮三個層級結構的力學性能。

由基體和增強材料復合而成的單層材料,其力學性能決定于組分材料的力學性能、相幾何(各相材料的形狀、分布、含量)和界面區的性能。


由單層材料層合而成的層合體,其力學性能決定于單層材料的力學性能和鋪層幾何(各單層的厚度、鋪設方向、鋪層序列) 。


最頂層結構是指通常所說的工程結構或產品結構,其力學性能決定于層合體的力學性能和結構幾何。


穩定性

除了強度與剛度要求,設計者還需考慮復合材料部件的失穩,尤其是對一些細長桿結構,在受壓時,應該能夠保證其原有的直線平衡狀態。對于一些框架結構部件,如果鋪層不均勻,也會產生翹曲失穩,所以在制造過程中尤其注意。最好采用對稱鋪層,以防變形不均勻。


一般情況下,在部件沒有達到極限載荷之下,不允許產生失穩現象。但是如果對于一些特殊要求,可以產生失穩現象,那么設計過程中,要考慮失穩過程不會因此影響極限載荷。


鋪層結構

鋪層結構是碳纖維復合材料結構設計的關鍵,如何把單層結構的優異性能傳遞到復合材料結構部件上,鋪層結構起到承上啟下的作用。關于復合材料鋪層應注意以下幾點:

  • 1. 樹脂是碳纖維復合材料力學性能的短板,所以盡量避免將載荷直接加到層間或者樹脂之間。也就是說,0°、±45°、90°的纖維都要有,否則載荷會將部件從沒有纖維排布的方向撕裂。

  • 2. 為了防止層合板邊緣開裂,盡量避免重復單一方向的鋪層,設計時最多不超過5層。

  • 3. 為了防止最外層鋪層的剝離,在部件的主載荷方向,應鋪放±45°纖維,而不能鋪放0°和90°纖維。另外,避免最外層鋪層間斷或不完整。

  • 4. 若使用非對稱鋪層,每層因同方向上熱膨脹系數不同會出現翹曲,因此,一般要采用對稱鋪層。

  • 5. 當增加補強鋪層時,每層階梯最少要3.8-6.4mm,附加鋪層也應盡量采用對稱鋪層。

     


連接

碳纖維復合材料部件開發過程中,不太可能都采用整體成型技術,需要進行部件與部件之間的連接的,則需要對連接形式進行設計。


一般來講,碳纖維復合材料部件的連接有三種形式:機械連接、膠結連接、混合連接。機械連接適用于連接件厚度大、可靠性要求較高、傳遞較大集中載荷的情況。膠結主要是利用粘結劑將零件連接成不可拆分的整體。


混合連接是膠結和機械連接的組合,它可以提高抗剝離、抗沖擊、抗疲勞、抗蠕變等性能。


疲勞與沖擊損傷

復合材料的疲勞與金屬材料相比,必須考慮溫度、濕度、沖擊損傷等因素。大多數情況下,沖擊損傷在結構設計中覆蓋了疲勞問題。

 

疲勞

一般情況下,復合材料的拉伸疲勞優于金屬。在正交層合板時疲勞或交變載荷作用下的開裂相對穩定,比金屬開裂擴展的慢。對復合材料必須注意受沖擊后的壓縮、剪切以及層間剪切在交變載荷作用下,引起的疲勞破壞。疲勞引起的早期破壞要因如下:

  • 1. 缺口,尖角

  • 2. 截面突變

  • 3. 突起

  • 4. 極端的偏心載荷

  • 5. 螺栓連接接頭

  • 6. 快速擺動

     

 

沖擊損傷

對于碳纖維復合材料結構,一般應將CAI強度(沖擊后壓縮強度)作為設計參數之一。飛機上確定損傷容限就是這么考慮的。損傷容限就是部件中允許的損傷范圍,如果超出這個限度,損傷將會顯著影響部件的性能。碳纖維復合材料的沖擊損傷容限必須在可檢測到的范圍內,作為設計參數之一加以考慮。


即使存在肉眼不可見的損傷,也要確保結構不發生CAI強度的下降。改善沖擊損傷的損傷容限,可以在碳纖維材料中加入芳綸纖維或者玻璃纖維。

 



碳纖維鋪層設計

復合材料結構中的主要承載材料為纖維,纖維方向的可設計性是其特點之一。迄今為止,對預浸料鋪疊成型復合材料結構中的纖維方向的定義都很籠統,一般只是規定了結構中某一點的纖維方向,其余纖維并行鋪放。本課題基于對復合材料結構中某一組合單元在指定方向上應具有最大承載能力的要求,提出了纖維路徑的概念,并由每層纖維并行排列、連續纖維均布性、纖維面密度值固定的規定,引申出每層纖維的連續性和連續纖維均布性指標,提出了最大鋪疊寬度和最小鋪疊寬度的工藝參數,并針對一些典型曲面的纖維路徑提出了鋪疊工藝的實施方法。

 


復合材料結構中的纖維路徑

1、纖維路徑的定義

飛行器復合材料結構的主要功能是傳載和承載,由纖維和樹脂組成?;诖?,以0°為例,飛行器結構中復合材料結構中的纖維路徑可定義為:某一層某一根的纖維路徑都應與這一層的主應力一致。

在復合材料結構中,纖維是主要承載材料,纖維只有在張緊狀態下才能承受最大載荷。纖維張緊時,其路徑是曲面上最短的,而曲面上最短的距離一定是測地線。因此,對于圖2中結構的某一層而言,以0°為例,結構的2 邊受到載荷時,這一層的每根纖維只有按照測地線分布和排列時,才能使得纖維繃緊并承受最大載荷,即與此點主應力一致。


2、纖維面密度為定值時的纖維路徑

1.1 纖維路徑的定義

鋪覆型面上的某一層纖維時,采用的是纖維面密度為定值、各束纖維并行排列并有一定寬度的預浸料或簾子布,這里不考慮預浸料中并行纖維之間不能滑移的問題,即并行纖維之間可滑移。每層纖維的面密度為定值,所以有一定寬度的連續纖維在曲面上的排列為主應力方向時,某些區域將有縫隙存在,這一區域只能由斷纖維填充,并在此區域做適當的補強。

曲面上復合材料的某一層的纖維面密度為定值時纖維的路徑定義如下:先確定曲面上各個區域的連續纖維的寬度,此寬度必須近似可展,按此寬度的位置在各個對應區域上做測地線,這些測地線即為這些連續纖維的路徑,斷纖維方向應盡量與連續纖維路徑一致。


1.2  纖維之間不能滑移時纖維路徑的定義

曲面上復合材料的某一層的纖維面密度為定值且預浸料中的并行纖維之間不能滑移時,纖維的路徑定義如下:先確定曲面上各個區域的連續纖維的寬度,且此寬度必須近似可展,按此寬度的位置在各個對應區域上做測地線,這些測地線即為這些連續纖維的路徑,斷纖維方向應盡量與連續纖維路徑一致。

由于纖維是有最小帶寬的物質,在不交疊的情況下不可能完全按照理想的纖維路徑鋪放,在路徑密集的地方就需要進行處理。如果零件厚度不增加,纖維通過這一截面的根數是一定的,由于截面面積的改變,所以這種處理只有是切斷纖維。 
這樣,根據前面2 種定義,纖維在通過這一截面時可保證連續纖維數量的最大值。


(1)纖維路徑的偏差。

選定各個區域連續纖維的寬度對纖維方向的一致性具有影響,寬度越大,與對應測地線的偏離就越大,表明纖維方向的一致性差。實際上纖維寬度為1 束纖維時,此偏差最小。


(2)各個鋪層連續纖維均布性。

同理,選定各個區域連續纖維的寬度對纖維連續性和斷纖維的均布性也有影響,此寬度纖維方向的偏離自然會影響到連續纖維的量,與纖維之間能滑移情況的連續纖維量偏差大,表明纖維連續性差,斷纖維的均布性也差;反之,表明纖維連續性好,斷纖維的均布性也好。當為1 束纖維時,此偏差最小。


(3)纖維的最小展開寬度。

纖維面密度為定值時,纖維的最小展開寬度為1 束纖維的寬度。顯然,在此寬度下不用考慮纖維之間的滑移,這也是將纖維的最高效率充分發揮出來的寬度,由于手工鋪覆這一寬度的效率太低,質量一致性也很難保證,因此發明了鋪絲機。

 


纖維鋪放的實際情況

鋪疊所用材料為預浸料,由于纖維具有帶寬,不能完全按照理想的纖維路徑進行鋪放,因此按照理想路線進行最近似的處理。將鋪層分成條狀鋪疊,2 條邊界都為理想的纖維路徑,但是這條狀鋪層纖維路徑按照某條邊界完全連續,斷纖維的端頭將集中分布于另一條邊界上。這樣1 個鋪層中是由若干條這樣的條狀鋪層拼接而成,斷纖維和連續纖維將在鋪層中交替鋪放。


根據籠統的定義,明顯斷纖維集中分布于零件的兩側??梢允箶嗬w維和連續纖維在鋪層中交替,并且可以控制這種交替的頻率使斷纖維和連續纖維趨于均勻。


條狀鋪層的裁剪

條狀鋪層的寬度要根據零件的外形制定,其根本宗旨是保證鋪層中纖維連續和均勻,并且使得操作最方便。


(1)確定鋪層帶寬。

帶寬的選擇要滿足:

·小于鋪疊最大帶寬;

·整個條狀鋪層能按規定路徑全

部貼敷于鋪疊曲面上;

·適合鋪疊。


2)條狀鋪層的邊界選取。

·在最小截面線上取一點,然后根據確定的帶寬取點,直至截面線的邊界;

·過這些點,以受力方向為引導方向,以零件的鋪疊面為支持面,做測地線;

·根據這些線在鋪疊面上分割鋪層;

·將這些分割后的鋪層展開成平面,所得形狀即為所需條狀鋪層的外形;

·在厚度方向上,每層上的拼接線都盡量錯開一定距離,不要在沿厚度方向上重合。


(3)45°和90°的纖維路徑。

45 °的理想纖維路徑是45 °應力方向,90 °的理想纖維路徑是90°應力方向。

 


新方法的意義

復合材料結構中承載纖維的關鍵是要連續和繃緊。有一種曲面鋪疊方法是將等高線做為基準,其具體做法是用一組平行的平面去切割曲面,將交線做為鋪層的基準方向并且作為小鋪層的拼接線。這種方法對于平面是正確的,但是對于曲面時就會出現問題,在鋪疊并排的小鋪層時會出現不規則形狀,在預浸料的邊緣出現大量的斷纖維,有的地方甚至所有的纖維都是斷的,這種現象會隨曲率的變化而加劇。顯然,斷了的纖維不能傳遞載荷,只有在垂直于切割平面的附近的纖維是連續的,這種方法不合理。


此方法并沒有增加連續纖維的數量,由于對于一層來說厚度不能增加,所以這個曲面的最小截面決定了其連續纖維的數量。但是增加的是繃緊的連續纖維的數量,理想的情況是所有連續的纖維都繃緊。如果某處曲率變化較大,則需要采取相應的措施。


同時此方法利用現有的設備,路徑的細化、預浸料的切割、鋪疊中的定位都可以解決,而且鋪層鋪疊時變形小、容易鋪疊,這樣在工程化生產中其質量一致性完全可以保證,如果將此方法進一步推廣,采用自動鋪疊設備完成則更加合理。

 


結束語

按照上述新方法可以部分解決雙曲面的纖維路徑和鋪疊之間的關系,尤其是機身和整體結構。


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