三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)機(jī)織法與成型工藝研究

劉婷婷，王益軒，姚 超，劉 育，王 瑤

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

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三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)機(jī)織法與成型工藝研究

劉婷婷，王益軒，姚 超，劉 育，王 瑤

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

本文主要介紹三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)機(jī)織物的織造方法，闡述了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在織造過程中形成一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物的織造方法，并在Pro/E軟件里建立箱梁結(jié)構(gòu)機(jī)織物預(yù)制件的幾何模型，詳細(xì)介紹了箱梁結(jié)構(gòu)機(jī)織物預(yù)制件的成型工藝。為研究箱梁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料機(jī)織物預(yù)制件的織造方法、成型工藝和力學(xué)特性設(shè)計(jì)計(jì)算打下了良好基礎(chǔ)；為開發(fā)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)新產(chǎn)品提供了一個(gè)有效途徑。

三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料；箱梁結(jié)構(gòu)件；機(jī)織方法；RTM工藝；VARTM工藝

1　引 言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，有相當(dāng)一部分的鋼筋混凝土橋梁由于施工不當(dāng)，結(jié)構(gòu)老化，環(huán)境惡劣，超載等原因已經(jīng)不能滿足日益增長(zhǎng)的交通量的需要，因此頻繁發(fā)生事故。橋梁的修復(fù)，重建已刻不容緩，對(duì)材料的性能要求越來越高。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(FRP)因其輕質(zhì)、高強(qiáng)、抗腐蝕、耐疲勞等特性,將其應(yīng)用到橋梁進(jìn)行加固是目前較理想的一種加固方法。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由包裹在樹脂母體中的微細(xì)纖維生成的復(fù)合材料。纖維起到加勁增強(qiáng)的作用,而樹脂起到粘合纖維的作用，通過樹脂傳遞纖維布與混凝土之間的剪力，達(dá)到增強(qiáng)橋梁強(qiáng)度的目的[1]。

三維正交機(jī)織物是由經(jīng)紗，緯紗和接結(jié)紗相互垂直交織而成，其顯著特點(diǎn)是起增強(qiáng)作用的經(jīng)紗與緯紗在織物內(nèi)幾乎呈伸直狀態(tài)，同時(shí)在厚度方向有一組經(jīng)紗連接，從而可明顯改善復(fù)合材料在第三方向即厚度方向的機(jī)械性能。

本文主要介紹三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)機(jī)織物的織造方法，并在Pro/E里建立箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件的幾何模型，對(duì)其成型工藝進(jìn)行研究。

2　箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件的機(jī)織方法

箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件的織造方法主要有機(jī)織、針織和編織等方法，其中機(jī)織方法因其具有大的纖維體積比、纖維伸直度好、預(yù)制件緊密和高的機(jī)械剛強(qiáng)度等織造特點(diǎn)非常適合于大型、細(xì)長(zhǎng)型箱梁結(jié)構(gòu)件的織造。機(jī)織方法中適合于織造箱梁結(jié)構(gòu)的有三維雙向正交交織機(jī)織物和三維間隔機(jī)織物，本文主要介紹雙向正交交織機(jī)織物的織造方法。

2.1一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物織造方法

采用雙向開口織造完全交織的三維組織，即多層經(jīng)紗的縱向(垂直)和橫向(水平)分別形成開口(在織物的截面)，使多層經(jīng)紗與兩組正交緯紗相互交織[2]。由此設(shè)計(jì)出一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物，如圖1所示。

圖1　一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物截面

以圖2(a)經(jīng)紗為例，簡(jiǎn)要介紹一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物織造過程，如圖2所示。

(1) 縱向經(jīng)紗Zj1、Zj2、 Zj3、 Zj4最初處于水平位置[圖2(a)]?？v向經(jīng)紗Zj2、Zj3垂直向下進(jìn)步1/2間距，在垂直方向形成開口。水平開口引入橫向緯紗Xi1、Xi2、 Xi3、Xi4[圖2(b)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(c)]?？v向經(jīng)紗Zj1、Zj4垂直向下進(jìn)步1/2間距，在垂直方向形成開口，水平開口引入橫向緯紗Xi1、Xi2、 Xi3、Xi4 [圖2(d)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(e)]。

(2)橫向經(jīng)紗Zi2、 Zi4水平向右進(jìn)步1/2間距，在水平方向形成開口。垂直開口引入縱向緯紗Yj1、Yj2、 Yj3、Yj4 [圖2(f)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(g)]。橫向經(jīng)紗Zi1、 Zi3水平向右進(jìn)步1/2間距，在水平方向形成開口，垂直引入縱向緯紗Yj1、Yj2、 Yj3、Yj4 [圖2(h)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(i)]。

(3) 縱向經(jīng)紗Zj2、Zj4垂直向下進(jìn)步1/2間距，在垂直方向形成開口。水平開口引入橫向緯紗Xi1’、 Xi2’、 Xi3’、Xi4’[圖2(j)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(k)]。縱向經(jīng)紗Zj1、Zj3垂直向下進(jìn)步1/2間距，在垂直方向形成開口，水平開口引入橫向緯紗Xi1’、 Xi2’、 Xi3’、Xi4’[圖2(l)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(m)]。

(4) 橫向經(jīng)紗Zi2、Zi3水平向右進(jìn)步1/2間距，在水平方向的形成水平開口。垂直方向引入縱向緯紗Yj1’、 Yj1’、 Yj1’、Yj3’ [圖2(n)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(o)]。Zi1、 Zi4水平向右進(jìn)步1/2間距，在水平方向的開口形成，垂直方向引入縱向緯紗Yj1’、 Yj1’、 Yj1’、Yj3’[圖2(p)]與4層經(jīng)紗Z形成交織[圖2(q)]。最終形成圖1(a)所示的三維交織圖。

2.2三維雙向正交交織織物制作箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件

上面介紹的雙向三維正交交織物具有沿任意方向裁剪不脫紗的顯著特點(diǎn)，其本身布邊結(jié)構(gòu)良好，可以先按照箱梁結(jié)構(gòu)截面的大小和長(zhǎng)度設(shè)計(jì)正交織物的經(jīng)緯密度和雙向織物組織結(jié)構(gòu)、以及布邊結(jié)構(gòu)，直接織造出截面為箱梁的結(jié)構(gòu)件；也可以只按箱梁結(jié)構(gòu)件截面的外形尺寸織造出矩形截面的雙向正交交織預(yù)制件，然后裁剪成箱梁結(jié)構(gòu)件。這種三維雙向正交交織物的織造只能在我們?cè)O(shè)計(jì)制作的專用三維正交交織織機(jī)上進(jìn)行。

3　箱梁結(jié)構(gòu)成型工藝與仿真計(jì)算

3.1成型工藝

真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM-Vacuum Assisted Resin Transfer Modling)工藝是一種新型的低成本的復(fù)合材料大型制件的成型技術(shù)，它是在單面剛性模具上鋪放纖維增強(qiáng)體等材料再用柔性真空袋包覆密封，形成一個(gè)密封模腔，通過真空吸力排除纖維增強(qiáng)體中的氣體，使模腔內(nèi)成真空狀態(tài)，利用真空壓力驅(qū)動(dòng)樹脂的流動(dòng)和滲透，實(shí)現(xiàn)對(duì)纖維及其織物的浸漬，并在室溫條件下進(jìn)行固化成型，形成一定形狀尺寸和纖維體積分?jǐn)?shù)的工藝方法。此方法具有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

(1)模腔內(nèi)抽真空后腔內(nèi)壓力變小，在成型過程中可以有效地減少對(duì)模具的傷害，增強(qiáng)其使用壽命。

(2)模腔內(nèi)抽真空后注入樹脂，提高了纖維體積分?jǐn)?shù)，從而提高了制品的強(qiáng)度及其他力學(xué)性能。

(3)真空輔助有助于樹脂對(duì)纖維增強(qiáng)體的浸潤(rùn)，使樹脂和增強(qiáng)體的結(jié)合界面更好，可以極大的提高制品質(zhì)量。

(4)VARTM工藝制造的復(fù)合材料制件具有成本低、強(qiáng)度好，空隙率低、產(chǎn)品的性能好等優(yōu)點(diǎn),并且工藝具有很大靈活性?？蛇m用于大尺寸的復(fù)合材料制件的制備[3]。

圖2　一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物織造過程

織制出如圖3所示的箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件。

將試驗(yàn)臺(tái)清洗干凈，涂上一層薄薄的脫模劑，防止織物粘連在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，等脫模劑干后，將鋪好的纖維織物平放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，用密封膠帶將導(dǎo)流網(wǎng)固定在箱梁結(jié)構(gòu)的四周，并在周邊留下緩沖區(qū)域。然后在箱梁結(jié)構(gòu)的兩端周邊個(gè)設(shè)置一圈抽氣管，最后在箱梁結(jié)構(gòu)梁面的正中央布設(shè)一圈導(dǎo)流管。用柔性真空袋將纖維箱梁結(jié)構(gòu)包裹起來，將多根抽氣管用三連通連接到主管，主管連接到樹脂溶液收集器，樹脂溶液收集器再與抽真空裝置相連; 所有接口處用密封膠帶密封; 最后在樹脂注入前打開真空泵不斷抽真空并將膠口密封，排出模腔中增強(qiáng)體中的空氣和附著在增強(qiáng)體表面的水汽，然后注入樹脂溶液，由于織物一直保持在真空狀態(tài)，樹脂便很快會(huì)浸滿整個(gè)織物，當(dāng)織物徹底被浸潤(rùn)后用大力鉗夾住樹脂管和抽氣管，在室溫下冷卻固化。最后待其冷卻固化結(jié)束之后，在纖維鋪放的箱梁結(jié)構(gòu)四周可按照設(shè)計(jì)要求涂抹一定厚度的混凝土。由此制作出三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件。

圖3　箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件結(jié)構(gòu)圖

圖4　箱梁結(jié)構(gòu)三維織物預(yù)制件結(jié)構(gòu)圖

3.2成型過程仿真計(jì)算

近年來，RTM(Resin Transfer Moulding)和 CVI(Controlled Vacuum Infusion)等樹脂模注工藝技術(shù)由于其在生產(chǎn)過程中有機(jī)物揮發(fā)量較低、可設(shè)計(jì)性良好及適用于成型中批量大型整體復(fù)雜構(gòu)件等優(yōu)點(diǎn)，被越來越廣泛地應(yīng)用于高性能復(fù)合材料成型制造領(lǐng)域。而針對(duì)其成型過程中最常用的仿真軟件主要有RTM-Worx軟件和PAM-RTM軟件[4]。

RTM-Worx軟件由荷蘭一家名為 Polyworx 的公司開發(fā)，主要用于樹脂模塑注射成型工藝流動(dòng)過程的數(shù)值模擬仿真軟件，RTM-Worx基于有限元方法來計(jì)算樹脂在多孔介質(zhì)中的流動(dòng)方程，進(jìn)而對(duì) VARTM 和 CVI成型工藝進(jìn)行過程進(jìn)行模擬仿真分析。該軟件以綜合了有限元分析和體積包絡(luò)計(jì)算的算法為核心，該算法快速穩(wěn)定、功能強(qiáng)大、計(jì)算精確，能夠確保在很短的時(shí)間里為用戶提供準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。軟件直觀易用，適合那些不熟悉有限元原理但精通掌握樹脂模注工藝的工程師對(duì)該工藝進(jìn)行局部或全部過程優(yōu)化，使用者僅需很短時(shí)間的培訓(xùn)和少量技術(shù)支持就能充分掌握，被公認(rèn)為是樹脂模注工藝仿真領(lǐng)域內(nèi)性價(jià)比最高的仿真分析軟件產(chǎn)品。目前，RTM-Worx已在世界各地被廣泛應(yīng)用于航空，風(fēng)力發(fā)電機(jī)，航海，軍工，游艇，材料加工以及建筑等各個(gè)行業(yè)的復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域[5]。

PAM-RTM 是ESI集團(tuán)復(fù)合材料RTM工藝模擬的最優(yōu)秀的產(chǎn)品。是針對(duì)RTM (Resin Transfer Moulding)、VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)等液體成型工藝開發(fā)的專業(yè)三維過程模擬軟件,能夠方便地模擬出樹脂在預(yù)成型體內(nèi)的流動(dòng)狀態(tài)、壓力分布及充模時(shí)間等,從而達(dá)到優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和工藝參數(shù),降低模具設(shè)計(jì)周期和降低成本的目的。PAM-RTM能分析的樹脂包括環(huán)氧樹脂、酚醛、乙烯、聚酯及無機(jī)RPF等，增強(qiáng)材料有毛氈、不起皺織物、機(jī)織織物、玻璃纖維、碳纖維等。增強(qiáng)材料的纖維走向?qū)TM中樹脂的流動(dòng)有重要的影響。通過預(yù)成形模擬，纖維流向可以直接輸入PAM-RTM中，用以進(jìn)行精密的RTM模擬。該軟件操作簡(jiǎn)便，工程師可以很快學(xué)會(huì)操作；計(jì)算迅速，利用DARCY定律求解，保證了計(jì)算的精度；后處理結(jié)果直觀，無須進(jìn)入其他界面直接觀察模擬結(jié)果[6]。

4　箱梁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料特性計(jì)算

通過計(jì)算纖維所占混凝土基體的體積比，將玻璃纖維和混凝土糅合在一起，類似于將纖維彌散在混凝土材料中，形成一種新的復(fù)合材料。采用各向同性計(jì)算的方法，利用混合定則公式Pc=Pfφf+Pmφm得出新的復(fù)合材料的密度，彈性模量以及泊松比。從而在ANSYS/workbench15.0進(jìn)行分析計(jì)算。

混凝土采用高性能混凝土C40，其彈性模量E=3.26×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.5×103kg/m3。玻璃纖維采用抗堿玻璃纖維，其彈性模量E=6.65×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.74×103kg/m3。將以上參數(shù)帶入公式Pc=Pfφf+Pmφm中，得到復(fù)合材料的彈性模量E=5.12×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.56×103kg/m3，之后在ANSYS/workbench15.0進(jìn)行分析計(jì)算。施加載荷以及固定載荷如圖5及圖6所示。

圖5　橋面施加載荷示意圖

圖6　箱梁橋底面固定載荷示意圖

(1)P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時(shí)橋梁的應(yīng)力云圖,最大變形圖,壽命，安全系數(shù)示意圖。

圖7　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時(shí)橋梁的應(yīng)力云圖

(2)P=10 000 MPa.P′=8 000 MPa時(shí)橋梁的應(yīng)力云圖,最大變形圖,壽命，安全系數(shù)示意圖。

(3)P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時(shí)橋梁的應(yīng)力云圖,最大變形圖,壽命，安全系數(shù)示意圖。

圖8　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時(shí)橋梁的最大變形圖

圖9　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時(shí)橋梁的壽命云圖

圖10　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時(shí)橋梁的安全系數(shù)示意圖

圖11　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時(shí)橋梁的應(yīng)力云圖

圖12　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時(shí)橋梁的最大變形圖

圖13　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時(shí)橋梁的壽命云圖

圖14　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時(shí)橋梁的安全系數(shù)示意圖

圖15　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時(shí)橋梁的應(yīng)力云圖

圖16　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時(shí)橋梁的最大變形圖

圖17　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時(shí)橋梁^的壽命云圖

圖18　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時(shí)橋梁的安全系數(shù)示意圖

由以上數(shù)值分析得出，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁橋的應(yīng)力變化及最大變形微小，體現(xiàn)了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)良好的力學(xué)性能，為橋梁以后的發(fā)展提供了一定的建設(shè)意義。

5　結(jié) 語(yǔ)

將纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用到橋梁建設(shè)是目前較理想的一種方法。本文主要介紹三維正交纖維增強(qiáng)復(fù)合材料箱梁結(jié)構(gòu)織物的織造方法，闡述了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在織造過程中形成一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物的織造方法，并在Pro/E里建立箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件結(jié)構(gòu)幾何模型，詳細(xì)介紹了箱梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件的成型工藝，并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性計(jì)算。由于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料簡(jiǎn)易的施工工藝和良好的加固性能等優(yōu)勢(shì)，在未來的橋梁加固中應(yīng)用會(huì)更加廣泛。

[1]楊雅平,霍達(dá),薛祥.纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在橋梁加固中的應(yīng)用及發(fā)展[J].廣東建材，2006(11)：8-10.

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Study on Weaving Methods and Forming Process of the Composite Box Beam Structure of 3D Orthogonal Fiber Reinforced Materials

LIU Tingting，WANG Yixuan，YAO Chao，LIU Yu，WANG Yao

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,Xi'an Polytechnic University，Xian 710048，China)

This article gives a brief introduction to the weaving methods which are used for the three-dimensional orthogonal fiber reinforced composite box beam structure woven fabric and the material how to form plain weave(1/1)and twill weave(1/2) in the weaving process.This paper gives a complete introduction on the molding process of box beam structure woven fabric preform by established the geometric model of box girder structure in Pro/E software.The results can be used for the weaving method,molding process and mechanical property design calculation of the material.And it provides an effective way for the development of new fiber reinforced composite box beam structure.

three-dimensional orthogonal fiber reinforced composite material；box girder structure；weaving method；molding manufacturing process；RTM；VARTM

陜西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GY137)

2015-08-19)

劉婷婷(1990-)，女，陜西人，在讀碩士研究生。研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)及理論。E-mail：1262031798@qq.com.