玻纖/環(huán)氧高強(qiáng)支撐的成型工藝與力學(xué)性能分析

王海芳，劉森川，楊永生

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

玻纖/環(huán)氧高強(qiáng)支撐的成型工藝與力學(xué)性能分析

王海芳，劉森川，楊永生

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

玻璃纖維/環(huán)氧高強(qiáng)支撐采用半干法纏繞鋪放成型工藝，成型過程中首先制作玻璃纖維預(yù)浸帶，利用有限元方法進(jìn)行了校核，該結(jié)構(gòu)未失效;對支撐進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明:支撐性能完全達(dá)到技術(shù)指標(biāo)。

高強(qiáng)支撐;半干法纏繞;有限元分析;模壓成型;拉伸載荷;壓縮載荷

1　引言

玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)、導(dǎo)熱率低、電絕緣、結(jié)構(gòu)可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于航空、交通、電力、化工等領(lǐng)域［1］。本文研究的支撐件用于某工程低熱組件的支撐，要求具有低導(dǎo)熱率和高支撐強(qiáng)度。玻璃纖維增強(qiáng)樹脂基復(fù)合材料導(dǎo)熱率不大于3.5×10-1W/(mK)，能夠滿足本產(chǎn)品要求，本文主要利用ANSYS有限元［2］分析方法對玻璃纖維/環(huán)氧高強(qiáng)支撐(簡稱高強(qiáng)支撐)的鋪層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了校核，利用半干法［3］纏繞鋪放成型工藝制作出產(chǎn)品并進(jìn)行力學(xué)性能測試。

2　高強(qiáng)支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1高強(qiáng)支撐尺寸及強(qiáng)度要求

高強(qiáng)支撐為截錐狀，高51 mm，上截面為內(nèi)翻法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)外徑分別為φ9、φ16，下截面為外翻法蘭結(jié)構(gòu)，內(nèi)外徑分別為φ25、φ38，外形如圖1所示，壁厚為0.3±0.025 mm，精度要求高。強(qiáng)度指標(biāo)為軸向抗拉大于或等于16 kN，軸向壓縮大于或等于9 kN。因此本產(chǎn)品屬于薄壁支撐結(jié)構(gòu)件，對尺寸精度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度均有較高要求。

2.2原材料選擇

由于本產(chǎn)品要求低導(dǎo)熱率，高尺寸精度、高力學(xué)強(qiáng)度，綜合考慮選用高強(qiáng)玻璃纖維/環(huán)氧材料體系。

基體材料:環(huán)氧樹脂，活性稀釋劑，固化劑為液態(tài)酸酐。

增強(qiáng)材料:增強(qiáng)纖維采用南京玻纖院的SC8-240高強(qiáng)玻璃纖維，纖維強(qiáng)度大于2 500 MPa。

上述復(fù)合材料單向板參數(shù)如表1所示。

表1　高強(qiáng)玻璃纖維單向板材料參數(shù)

2.3高強(qiáng)支撐的鋪層設(shè)計(jì)

在研制初期，高強(qiáng)支撐僅采用環(huán)向纏繞和縱向鋪放的工藝鋪層，產(chǎn)品成型之后進(jìn)行了相應(yīng)的拉伸和壓縮試驗(yàn)，產(chǎn)品性能不能滿足性能指標(biāo)要求。通過進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)，增加了螺旋纏繞層，從而獲得最小壁厚、滿足最大承載能力的鋪層結(jié)構(gòu)，如表2所示。

表2　高強(qiáng)支撐結(jié)構(gòu)鋪層

2.4利用ANSYS有限元分析方法的結(jié)構(gòu)校核

2.4.1有限元模型

參照高強(qiáng)支撐的實(shí)際尺寸，采用ANSYS有限元［3］三維八節(jié)點(diǎn)shell99單元對模型進(jìn)行分網(wǎng)，共劃分1 360個單元。單元模型見圖1。

2.4.2校核結(jié)果

采用ANSYS有限元的方法進(jìn)行校核，校核輸入表1的高強(qiáng)玻璃纖維單向板材料參數(shù)和表2中的成型工藝參數(shù)及表3載荷的邊界條件作為初始條件。校核結(jié)果如表4所示，可以看出按照最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則校核結(jié)構(gòu)未失效。

圖1　單元模型

表3　載荷的邊界條件

表4　利用有限元校核結(jié)果

3　高強(qiáng)支撐的成型工藝

本產(chǎn)品成型工藝采用半干法纏繞鋪放加金屬對模加壓成型工藝，半干法可以更好的控制含膠量，金屬對模加壓成型不僅可以更好的控制產(chǎn)品外形尺寸，而且減少了后續(xù)表面加工工序，盡可能多的保留了連續(xù)纖維，使其強(qiáng)度得到最大的發(fā)揮。具體成型步驟如下:

(1)首先按照配方配置膠液。

(2)制作預(yù)浸帶:選用型號為DCS-1型纏繞機(jī)，制作預(yù)浸帶的具體步驟為:選用1團(tuán)SC8-240高強(qiáng)玻璃纖維，在φ300的光筒模具進(jìn)行1個循環(huán)的環(huán)向纏繞，紗片寬度設(shè)定為3 mm。纏繞過程中控制膠液的含量以獲得比較高的纖維體積含量。預(yù)浸帶纏繞完畢放入烘箱中，90℃保溫1 h。

(3)裁料:把預(yù)浸帶沿纖維方向裁成幅寬為5.5 mm的片材。

(4)纏繞鋪放:按照表2中的鋪層順序在金屬陽膜上纏繞鋪放成型。

(5)采用金屬對模加壓工藝合模固化，固化制度為120℃±5℃/3 h±10 min+150℃±5℃/3 h± 10 min。

4　試驗(yàn)校核

4.1高強(qiáng)支撐的試驗(yàn)內(nèi)容及技術(shù)指標(biāo)

高強(qiáng)支撐驗(yàn)證性試驗(yàn)包括拉伸試驗(yàn)、壓縮試驗(yàn)。技術(shù)指標(biāo)為:支撐拉伸載荷≥16 kN;支撐壓縮載荷≥9 kN。

試驗(yàn)產(chǎn)品從批次產(chǎn)品中進(jìn)行抽檢，其性能結(jié)果代表批產(chǎn)品的性能。

4.2高強(qiáng)支撐的試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)設(shè)備:WPM萬能材料試驗(yàn)機(jī)，Instron-1185材料試驗(yàn)機(jī)，UCAM-8C通用測試儀，TEAC直流放大器，紅山程序控制疲勞試驗(yàn)機(jī)，PE-8數(shù)字電壓表，SA-34放大器，紙基電阻式應(yīng)變片。

4.3高強(qiáng)支撐的試驗(yàn)結(jié)果

性能測試結(jié)果見表5-表6，其拉伸性能和壓縮性能均滿足設(shè)計(jì)要求。

表5　高強(qiáng)支撐拉伸性能

表6　高強(qiáng)支撐壓縮性能

5　結(jié)語

(1)利用ANSYS有限元分析對鋪層設(shè)計(jì)進(jìn)行了校核，試驗(yàn)結(jié)果證明，該鋪層設(shè)計(jì)很好的滿足了產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

(2)通過采用半干法纏繞鋪放加金屬對模加壓成型的工藝方法成型，既有效的控制了含膠量，又保證了壁厚尺寸精度，并且避免了后續(xù)加工時纖維斷裂帶來的強(qiáng)度損失，進(jìn)而同時滿足了產(chǎn)品尺寸小、精度高、壁薄、高強(qiáng)度的要求，對同類其他復(fù)合材料的成型工藝設(shè)計(jì)也有一定的參考作用。

［1］王慧杰.航空復(fù)合材料樹脂基體的現(xiàn)狀及發(fā)展［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，1995，12(4):35-38.

［2］袁靈，張付元，莊匯泉，等.計(jì)算機(jī)在熱鍛設(shè)備上的應(yīng)用［J］.鍛壓機(jī)械，1994(5):34-37.

［3］鄭傳祥.復(fù)合材料壓力容器［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:197.

Processing and Mechanical Properties of Glass-fiber Reinforced Epoxy-based Composites

WANG Haifang，LIU Senchuan，YANG Yongsheng
(Harbin FRP Institute，Harbin 150036)

In this paper molding process of high-strength and low thermal conductivity Glass-fiber Reinforced Epoxybased Composites strut was studied and mechanical properties of strut were discussed by experiment.The structure is proved safe by finite element method.The results show that performance of the support has achieved technical qualification.

high-strength strut;semi-dry winding;finite element;moulding;tensile-strength;compressive strength

2015-04-19)

王海芳(1978-)，女，河北人，碩士，工程師。研究方向:復(fù)合材料高壓氣瓶成型工藝。E-mail:freehfwang@126.com.