鋪層順序?qū)μ祭w維復(fù)合材料鉆削分層制孔的影響

王共冬，種 強(qiáng)，周 麗，熊需海

（1. 沈陽航空航天大學(xué)航空航天工程學(xué)部，沈陽 110136；2.沈陽航空航天大學(xué)航空制造工藝數(shù)字化國防重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽 110136）

在碳纖維復(fù)合材料鉆孔過程中，最難以操控的缺陷是分層損傷，它不但會(huì)降低機(jī)械連接時(shí)的公差，還會(huì)降低材料結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能[1]。其中，鉆削軸向力和溫度是引發(fā)分層損傷的兩大因素。Tan和Nuismer[2]提出了一個(gè)能預(yù)測復(fù)合材料在載荷作用下不斷擴(kuò)張的理論模型，該模型在原有模型的基礎(chǔ)上考慮了殘余應(yīng)力的影響，更貼近于試驗(yàn)結(jié)果。此后,常福清[3]提出層合板失效的臨界軸向力公式，并根據(jù)能量守恒公式推導(dǎo)出腹板的屈曲強(qiáng)度。朱菊芬[4]、梁斌[5]利用雙分層損傷有限元模型給出了壓屈載荷的等值曲線圖，分析結(jié)果描繪了不同分層位置的載荷分布。然而，這些研究只注重計(jì)算模型方面，設(shè)計(jì)相關(guān)試驗(yàn)進(jìn)行辯證分析的報(bào)道相對較少。

在設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料鋪層順序時(shí)，每一層的方向都可以是不同角度，因此可以按照一定規(guī)則進(jìn)行優(yōu)化以滿足復(fù)合材料的強(qiáng)度、剛度等要求。國內(nèi)，唐文艷等[6]利用整數(shù)編碼、非常規(guī)解碼的形式設(shè)計(jì)不同鋪層角度。馮消冰等[7]利用整數(shù)編碼方法，同時(shí)結(jié)合特定的層合板鋪層規(guī)則優(yōu)化出滿足不同復(fù)合材料強(qiáng)度要求的碳纖維復(fù)合材料鋪層順序。而王共冬[8]、晏飛[9]、何林濤等[10]分別把優(yōu)化后的遺傳算法應(yīng)用在復(fù)合材料鋪層規(guī)則上，不同程度地提高了遺傳算法的收斂速度。Fzlzon等[11]提出層合板在受載過程中穩(wěn)定性對層合板強(qiáng)度的影響起關(guān)鍵作用，并結(jié)合屈服準(zhǔn)則與其優(yōu)化后的算法設(shè)計(jì)出具有高強(qiáng)度的碳纖維層合板。Carrera 等[12]研究了不同邊界條件，不同力學(xué)性能的碳纖維層合板在剪切力下的變形理論，并采用標(biāo)準(zhǔn)遺傳算法建立了層合板鋪層順序規(guī)則庫。Seresta等[13]提出一個(gè)高效簡單的遺傳算法框架，采用該框架優(yōu)化出的疊層順序可顯著降低層合板翹曲缺陷。Matsuzaki等[14]采用分支界定法和響應(yīng)面法，利用幾何因子和屈曲載荷為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化了非對稱的碳纖維層合板鋪層順序。

然而這些都只停留在對算法的研究和改進(jìn)上，很少把鋪層規(guī)則特別是防分層規(guī)則用于層合板鋪層優(yōu)化中，并進(jìn)行鉆孔試驗(yàn)驗(yàn)證。本文將依據(jù)層合板防分層規(guī)則提出最優(yōu)鋪層順序，并設(shè)計(jì)CFRP制孔試驗(yàn)加以驗(yàn)證。

1 基于防分層規(guī)則層合板優(yōu)化模型

1.1 防分層規(guī)則簡介

在設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料鋪層順序時(shí)主要有3點(diǎn)要求：第一，應(yīng)避免集中鋪設(shè)同一角度方向的碳纖維層，如必須如此放置時(shí)也不應(yīng)超過4層；第二，避免層間應(yīng)力過大，±45°層之間鋪設(shè) 0°/90°層，0°/ 90°層之間放置±45°層，第三，保護(hù)碳纖維板穩(wěn)定性，防止翹曲，盡量采用對稱鋪設(shè)方式。綜上，層合板防分層規(guī)則可簡單描述為：

（1）每一單層組中單層不超過4層；（2）相鄰層鋪層角度不超過45°。

1.2 層合板優(yōu)化模型

本文所使用的Memetic算法是在基本算法的循環(huán)過程中加入局部尋優(yōu)算子。該算法兼并了全局算法和局部尋優(yōu)算法的優(yōu)點(diǎn)，可使每次迭代產(chǎn)生的個(gè)體都是局部最優(yōu)。這樣就避免了全部算法完成后再進(jìn)行全局搜索，可在每個(gè)算法步驟中進(jìn)行局部搜索，能夠很快地找到最優(yōu)個(gè)體，及時(shí)摒棄不良個(gè)體，加快了求解速度。Memetic算法[15]的結(jié)構(gòu)流程圖如圖1所示。

圖1 Memetic算法流程圖Fig.1 Flow chart of Memetic algorithm

1.3 目標(biāo)函數(shù)和約束條件

根據(jù)層合板理論[16]，采用幾何因子Vk表征碳纖維復(fù)合材料每一單層的鋪層角度[17]。其物理意義可描述為在碳纖維層合板中引入不同的鋪層角度以起到改變復(fù)合材料剛度的作用。

式中，n代表層合板的鋪層數(shù)，Vk是層合板鋪層順序中不同方向之間的函數(shù)。其中，k=A時(shí)表示層壓板層內(nèi)幾何因子，k=D代表層壓板的彎曲幾何因子。對于特定的碳纖維層壓板,Vk只是每一單層預(yù)浸料角度方向和碳纖維板厚度之間的函數(shù)，與邊界條件及受力狀態(tài)無關(guān)。因此，對于給定的，以不同鋪層角度為優(yōu)化自變量，可建立如式（2）所示的目標(biāo)函數(shù)[18]。

1.4 數(shù)值算例

本例采用Memetic優(yōu)化碳纖維板鋪層角度。采用的規(guī)則算子為防分層規(guī)則，優(yōu)化結(jié)果為避免產(chǎn)生分層缺陷的最優(yōu)碳纖維復(fù)合材料鋪層順序。表1顯示了加入鋪層規(guī)則和沒有鋪層規(guī)則的優(yōu)化結(jié)果。其中強(qiáng)度由Abaqus軟件計(jì)算得出，計(jì)算頁面如圖2、圖3所示。圖4為Memetic算法的遺傳代數(shù)和適應(yīng)度值函數(shù)。

在算法優(yōu)化時(shí)沒有加入規(guī)則算子的鋪層優(yōu)化順序是[0/0/0/0/0/0/0/0]s，這是不符合實(shí)際需求的。在加入了防分層規(guī)則以后，最終優(yōu)化后的層合板鋪層順序是[0/0/0/45/0/0/-45/0]s，同一角度層最大為3層，不超過4層，相鄰層角度不大于45°，可以有效防止層合板分層。

表1 復(fù)合材料層合板鋪層優(yōu)化結(jié)果

圖2 [0/0/0/0/0/0/0/0]s碳纖維板強(qiáng)度計(jì)算Fig.2 Intensity calcuation of [0/0/0/0/0/0/0/0]s plate

圖3 [0/0/0/45/0/0/-45/0]s碳纖維板強(qiáng)度計(jì)算Fig.3 Intensity calculation of [0/0/0/45/0/0/-45/0]s plate

圖4 Memetic算法適應(yīng)度值Fig.4 Memetic algorithm fitness values

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)材料

本文以USG05403碳纖維環(huán)氧樹脂基為預(yù)浸料，單層厚度為0.09mm，采用熱壓罐成型工藝制備碳纖維復(fù)合材料試樣，復(fù)合材料鋪層數(shù)量為16層,鋪層順序?yàn)閇0/0/0/45/0/0/-45/0]s與[0/0/0/0/0/0/0/0]s,試件幾何尺寸為90mm×90mm。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本文采用CFRP鉆削測力試驗(yàn)平臺(tái)研究鋪層順序?qū)S向力和鉆孔質(zhì)量的影響。鉆削系統(tǒng)由給定的進(jìn)給率、鉆速等條件進(jìn)行CFRP鉆孔，由鉆削測力儀記錄鉆孔過程中產(chǎn)生的軸向力信號(hào)，經(jīng)電荷放大器、信號(hào)采集卡儲(chǔ)存在電腦中。

試驗(yàn)采用了15種不同方案驗(yàn)證優(yōu)化后的碳纖維板質(zhì)量，進(jìn)給率為 8mm/min、10mm/min、12mm/min，主軸鉆速分為 440r/min、1000r/min、1440r/min、2000r/min 和2440r/min 5種轉(zhuǎn)速。圖5為兩種鋪層順序的碳纖維板制孔軸向力曲線。表2和表3顯示了其中8種具有代表性的碳纖維出口質(zhì)量圖。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

在CFRP鉆孔過程中，鉆頭橫刀刃一直與碳纖維層接觸，沿進(jìn)給率方向上碳纖維層會(huì)遇受到持續(xù)的壓力。隨著制孔的進(jìn)行，未切削層厚度逐漸減小，碳纖維板的剛度逐漸降低。當(dāng)鉆頭橫刀刃接觸到層合板外層纖維時(shí)，產(chǎn)生的推力向外擠壓纖維，由于橫刀刃不起切削作用，外側(cè)層合板上的碳纖維不會(huì)被切削刃切斷，當(dāng)產(chǎn)生的推力大于層合板剛度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生分層缺陷。圖5為兩種不同鋪層順序的軸向力曲線圖，可以看出進(jìn)給率為8mm/min時(shí)，鋪層方向?yàn)閇0/0/0/45/0/0/-45/0]s的最大軸向力為26.98N，要明顯小于[0/0/0/0/0/0/0/0]s的最大軸向力37.89N，說明優(yōu)化鋪層順序后的層合板各層間的壓力較小，不足以撕開最外層纖維與基體的連接，避免了分層缺陷的產(chǎn)生。此外，無論進(jìn)給率為10mm/min還是12mm/min，5種主軸轉(zhuǎn)速下，優(yōu)化鋪層順序后的碳纖維板臨界軸向力均要小于未優(yōu)化的碳纖維板，這可證明優(yōu)化后的碳纖維板可有效減少分層缺陷。

圖5 兩種不同鋪層順序的碳纖維板制孔軸向力曲線Fig.5 Axial force with different stacking sequences of composite laminate

表2 進(jìn)給率為8mm/min下碳纖維板出口質(zhì)量掃描圖

表3 進(jìn)給率為12mm/min下碳纖維板出口質(zhì)量掃描圖

此外，表2和表3顯示了鉆孔出口質(zhì)量掃描圖，[0/0/0/0/0/0/0/0]s的碳纖維板其毛刺數(shù)量明顯多于[0/0/0/45/0/0/-45/0]s碳纖維板，且出口處的圓整度也要比鋪層順序?yàn)閇0/0/0/45/0/0/-45/0]s的碳纖維板低。表2和表3直觀地說明了層合板鋪層順序?qū)S向力有較大影響，鋪層順序?yàn)閇0/0/0/45/0/0/-45/0]s的層合板可有效抑制分層、毛刺缺陷的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

本文使用Memetic算法，結(jié)合鋪層規(guī)則特別是防分層規(guī)則，優(yōu)化算法得出避免產(chǎn)生分層缺陷的碳纖維板鋪層順序。并采用CFRP制孔試驗(yàn)，設(shè)計(jì)不同鉆速條件下碳纖維復(fù)合材料鋪層順序試驗(yàn)加以驗(yàn)證。試驗(yàn)結(jié)果表明，鋪層角度對碳纖維復(fù)合材料鉆孔軸向力有較大影響，設(shè)計(jì)碳纖維復(fù)合材料不同鋪層順序可顯著改變制孔過程中鉆頭產(chǎn)生的最大軸向力，采用防分層規(guī)則優(yōu)化后的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層合板可有效抑制分層、毛刺等缺陷。

參 考 文 獻(xiàn)

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