間隔機(jī)織物復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

姚超，王益軒，劉婷婷，劉育，王瑤

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710048)

間隔機(jī)織物復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

姚超，王益軒，劉婷婷，劉育，王瑤

(西安工程大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710048)

本文主要針對間隔機(jī)織物板梁結(jié)構(gòu)復(fù)合材料設(shè)計(jì)與制造。分別對不同細(xì)度的間隔機(jī)織物預(yù)制件在復(fù)合材料中的體積比進(jìn)行計(jì)算，采用樹脂傳遞成型工藝(RTM)方法成型制造，利用ANSYS軟件的梁單元Beam188對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)和動態(tài)分析。計(jì)算結(jié)果表明，復(fù)合材料板梁隨著纖維體積分?jǐn)?shù)(含量)增加，材料剛度增加，撓度減小，當(dāng)纖維體積分?jǐn)?shù)為11.10%時(shí)彎矩最大。

板梁結(jié)構(gòu);間隔機(jī)織物預(yù)制件;RTM成型;靜動態(tài)分析;ANSYS

1　引言

隨著經(jīng)濟(jì)與技術(shù)的發(fā)展，要求更多的質(zhì)輕高強(qiáng)、韌性和柔性好的材料，在現(xiàn)代強(qiáng)調(diào)節(jié)能環(huán)保的時(shí)代，輕量化是一個(gè)重要的主題。從2020年起，歐洲市場95%新注冊的汽車都將需符合新的二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，從現(xiàn)在的130克/公里下降到95克/公里，2021年后標(biāo)準(zhǔn)將更加嚴(yán)格。復(fù)合材料是由兩種或兩種以上的單一材料，用物理的或化學(xué)的方法經(jīng)人工合成的—種固體材料［1］。增強(qiáng)纖維和基體相得益彰，兩種材料相互互補(bǔ)來形成更優(yōu)的力學(xué)性能材料。它們克服相互之間的缺點(diǎn)，又增強(qiáng)兩者之間各自的優(yōu)點(diǎn)。復(fù)合材料是利用比強(qiáng)度高、比模度高、脆性的增強(qiáng)材料和低強(qiáng)度、低模量、韌性的基體材料，經(jīng)過成型工藝復(fù)合而成的。紡織復(fù)合材料作為一種新型的復(fù)合材料，它具有比強(qiáng)度高、比模量高等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于航空航天，醫(yī)療，汽車，體育等行業(yè)上［2］。

板梁結(jié)構(gòu)如圖1所示，作為一種工程結(jié)構(gòu)，在各種工況中，要承受多種載荷，比如拉力、剪切等。傳統(tǒng)的板梁結(jié)構(gòu)通常采用如蒙皮結(jié)構(gòu)、蜂窩和層合板等結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要問題是厚度方向承受剪切應(yīng)力較小［3-5］。本文將采用三維間隔織機(jī)織造連續(xù)纖維板梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件，采用樹脂傳遞模塑法(RTM)制造需要的機(jī)械零件，比如汽車前防撞結(jié)構(gòu)、彈簧板，建筑材料結(jié)構(gòu)。板梁結(jié)構(gòu)在次承力結(jié)構(gòu)上已經(jīng)達(dá)到成熟，但是在主承載件有待深入研究，并探討間隔機(jī)織物板梁的可行性。

圖1　板梁結(jié)構(gòu)示意圖

2　板梁結(jié)構(gòu)預(yù)制件

織物結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)要根據(jù)織物的用途，選擇相應(yīng)性能的材料，確定工藝參數(shù)，使織物最終獲得最佳的性能，并具有良好的尺寸穩(wěn)定性、適應(yīng)性和成型性［6］。三維機(jī)織物結(jié)構(gòu)一般由經(jīng)紗、緯紗、接結(jié)經(jīng)和填充紗等四種紗線組合而成的。三維整體織物織造方法有編織、針織、機(jī)織和非織。三維針織織物織造工藝中，連續(xù)長絲紗線會受到扭轉(zhuǎn)彎曲，三維傳統(tǒng)機(jī)織生產(chǎn)出來的織物并且沒有過多的卷曲，其紗線的分布比較勻直，間隔織物方式更加具有優(yōu)越，主要體現(xiàn)在對高性能原料的織造適應(yīng)性更好以及織物性能更強(qiáng)。這樣就能夠充分發(fā)揮紗線的潛能，從而有著更強(qiáng)的抗拉伸，抗壓縮，抗頂破性能。用機(jī)織的方法來生產(chǎn)間隔織物是通過綜框的升降運(yùn)動來控制經(jīng)紗的排布，同時(shí)通過打緯機(jī)構(gòu)來使所以的經(jīng)緯紗交織在一起，機(jī)織物中紗線的性能利用效率比較高，紗線運(yùn)動沒有大的卷曲，很適合玻璃纖維等高性能纖維的編織。

目前，三維紡織結(jié)構(gòu)板材預(yù)制件主要采用角聯(lián)鎖結(jié)構(gòu)、正交結(jié)構(gòu)和纏繞結(jié)構(gòu)，而間隔織物結(jié)構(gòu)織造工藝主要是在傳統(tǒng)的織機(jī)上改造而來，板梁結(jié)構(gòu)間隔織物原理為:經(jīng)紗從經(jīng)軸上退繞下來，經(jīng)過分紗器，多層紗線被穿入不同綜片綜眼內(nèi)，在綜框的上下周期運(yùn)動下，經(jīng)紗與緯紗結(jié)交在一起，鋼筘讓經(jīng)紗與緯紗緊緊箍在一起，在卷取機(jī)構(gòu)輔助下最終織造完成。

本文設(shè)計(jì)關(guān)于三維(248 mm×92 mm×1 200 mm)研究為對象，采用幅寬為190cm三維織機(jī)織造。本文所設(shè)計(jì)的矩形截面間隔織物如圖2所示。

本文間隔織物主要是由上下兩層及中間織物構(gòu)成，如圖2(b)所示，經(jīng)紗和緯紗相互連續(xù)的交織在一起，使整體織物具有較高的強(qiáng)度，中間腹肋處的織物左右兩邊的紗線在中間為繼續(xù)相互交錯(cuò)，使得具有良好的穩(wěn)定性，增加厚度方向的剪切強(qiáng)度。圖2 (c)表面織物組織采用平紋織物組織，下層經(jīng)紗經(jīng)過中間層穿梭在表面層，增加上下表面織物的面密度。圖2(d)織物間運(yùn)動規(guī)律相同紗線交叉排列，使得織物組織更加緊密，提高織物的剛度。織物的層數(shù)越多，織物組織的力學(xué)性能越好［7］。

圖2　織物預(yù)制件

3　材料選用

考慮到本文板梁結(jié)構(gòu)作為主承載結(jié)構(gòu)使用，增強(qiáng)纖維采用無捻粗紗用專用浸潤劑一次拉制成型，2000根或4000根單絲經(jīng)有效粘結(jié)而成單股的s-玻璃纖維，基體采用上海樹脂有限公司生產(chǎn)的618型雙酚A改性環(huán)氧樹脂，具體性能參數(shù)如表1所示，s玻璃纖維的比強(qiáng)度高，模量高，但是韌性差;環(huán)氧樹脂的韌性比較好，兩種材料相互結(jié)合提高性能。在三維間隔織物的設(shè)計(jì)中，考慮到纖維的體積分?jǐn)?shù)和纖維排列方式會影響到樹脂的滲透性，通過對細(xì)度為1993.9tex、4486.28tex和7975.6tex紗線不同排列方式進(jìn)行研究分析，并在Pro/E中進(jìn)行建立織物模型(見下圖)，經(jīng)紗和緯紗的規(guī)格相同，測量不同細(xì)度紗線體積含量見表2。

表1　玻璃纖維和樹脂的力學(xué)性能［8］

紗線的排列方式

表2　不同細(xì)度的纖維體積含量

4　板梁復(fù)合材料成型

在樹脂傳遞模塑成型過程如圖3所示。VARTM工藝基本原理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，然后抽出增強(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)動樹脂流動、滲透和浸漬纖維增強(qiáng)體，最后在室溫或是加熱條件下整體固化成型出一定形狀和纖維體積含量的制件，復(fù)合材料成型可以用RTM-WORX進(jìn)行模擬仿真。

圖3　RTM成型工藝

5　板梁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的性能分析

5.1有限元模型

板梁復(fù)合材料結(jié)構(gòu)幾何模型如圖4示，在笛卡爾坐標(biāo)系中，梁橫截面在xoy平面內(nèi)，梁的長度方向?yàn)閆軸，本文對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂進(jìn)行靜態(tài)與動態(tài)分析，纖維復(fù)合板梁結(jié)構(gòu)有限元模型如5圖所示，利用纖維與樹脂的體積比例來等效玻璃纖維/環(huán)氧樹脂的等效模量，利用ANSYS創(chuàng)建自定義梁截面特性，如圖5所示，復(fù)合材料板梁的橫截面積為0.0136 m2，繞Z軸的轉(zhuǎn)動慣量為0.772e-4 kg·m2。并建立復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，網(wǎng)格采用Beam188單元進(jìn)行劃分，劃分結(jié)果如圖6所示。

圖4　板梁的幾何模型

圖5　自定義梁截面

圖6　板梁結(jié)構(gòu)有限元模型

5.2靜態(tài)分析

復(fù)合材料板梁左端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行固定約束，右端節(jié)點(diǎn)Y軸方向進(jìn)行向下約束，在中間節(jié)點(diǎn)施加1 000 N的靜載荷，纖維體積含量為17.47%的預(yù)制件，板梁的撓度如圖7所示，在節(jié)點(diǎn)34上最大撓度為0.703 mm，圖8為Z軸的彎矩圖，各纖維體積含量的撓度大小和Z軸的彎矩如表3所示，

圖7　位移Y軸位移云圖

圖8　繞Z軸的彎矩圖

表3　1000N作用下不同纖維體積含量的撓度和彎矩

5.3動態(tài)分析

復(fù)合材料板梁左端進(jìn)行固定約束，進(jìn)行模態(tài)分析，前20階模態(tài)固有頻率如表4所示，并對整個(gè)板梁結(jié)構(gòu)施加0～3 000 Hz間單頻掃描，并在右端施加1 000 N激勵(lì)，懸臂梁的自由端引起的位移響應(yīng)、幅頻響應(yīng)曲線如圖8-9所示。

表4　前20階固有頻率

圖8　位移響應(yīng)曲線

圖9　幅頻響應(yīng)曲線

6　結(jié)語

本文利用ANSYS軟件的梁單元Beam188對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復(fù)合材料板梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力學(xué)分析時(shí)，復(fù)合材料板梁隨著纖維體積分?jǐn)?shù)增加，材料剛度增加，撓度減小，當(dāng)體積分?jǐn)?shù)為11.10%彎矩最大。動態(tài)分析時(shí)，第1，2，3，6，9階振型為YZ平面擺動，第4，7階振型型為XZ平面擺動，第4.8階振型為繞Z軸扭動。在1 000 N外激勵(lì)下，當(dāng)頻率為600 Hz附近位移響應(yīng)最大。本文為復(fù)合材料的板梁結(jié)構(gòu)生產(chǎn)提供可行性參考。

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Studyon the Design of Composite Plate-Beam Structures with Space Woven Fibric

YAO Chao，WANG Yixuan，LIU Tingting，LIU Yu，WANG Yao
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Xi＇an Polytechnic University，Xi’an 710048)

The paper mainly studies structure design and manufacture of the space woven fabric for plate beam with composite materials，and calculates different diameter of Prefabricated parts which are accounted for total volume of composite material，This paper gives a method of resin transfer molding(RTM)which are used for Molding manufacture，and makes a thorough analysis on static and dynamic of glass fiber/epoxy resin composite plate girder structure by used element beam188 in ANSYS software.The results indicated that the larger the volume ratio of galss fiber in composite material，the greater the stiffness in composite material，thus the deflection of plate beam decreased.But when the volume ratio of glass fiber at 11.10%，the volume of bending moment is maximum.

plate-type beams;spacer fabric preform;resin transfer mould;static and dynamic analysis;ANSYS

陜西省科技攻關(guān)項(xiàng)目(2015GY137)

2016-01-07)

姚超(1990-)，男，陜西人，在讀碩士研究生。研究方向:機(jī)械CAD/CAE/CAM及虛擬樣機(jī)研究技術(shù)。E-mail:411582332@qq.com.