鍍銅碳纖維絲束細(xì)觀耐磨性的有限元仿真模擬

戴 鑫，李 晶，陳 晨

(1. 西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710048； 2. 西安市現(xiàn)代智能紡織裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710048； 3. 江蘇永鋼集團(tuán)有限公司 制造管理部，江蘇 張家港 215628； 4. 紹興市柯橋區(qū)西紡紡織產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新研究院，浙江 紹興 312065)

碳纖維是一種含碳量在95%以上的高強(qiáng)度、高模量的新型纖維材料，具有耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、導(dǎo)熱、導(dǎo)電和熱膨脹系數(shù)小的特性，又因其較為柔軟及良好的可加工性，且還具有碳材料的固有特征，碳纖維及其復(fù)合材料被廣泛應(yīng)用于紡織領(lǐng)域，是戰(zhàn)略性高科技材料。碳纖維織物是碳纖維及其復(fù)合材料在紡織領(lǐng)域中的重要體現(xiàn)，已廣泛應(yīng)用于航空航天、國防軍工等領(lǐng)域，具有不可替代性[1-3]。然而碳纖維是脆性材料，斷裂伸長(zhǎng)率低，碳纖維絲束在織造時(shí)易變形斷裂，并出現(xiàn)起毛、斷經(jīng)等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了織物的力學(xué)性能，降低了碳纖維的利用率和織造效率[4-5]，因此，提高碳纖維絲束的耐磨性能，有效減少織造過程中的起毛、斷經(jīng)等現(xiàn)象成為碳纖維織造的首要任務(wù)。

目前，已有學(xué)者提出對(duì)碳纖維表面處理，如碳纖維表面上漿技術(shù)，通過在碳纖維表面上漿形成一層保護(hù)膜來減小摩擦損傷，但漿料比例難以控制，過量的漿料會(huì)降低碳纖維的耐磨性[6]；通過加捻的方式可加大絲束抱合力，但加捻過程中纖維會(huì)受到損傷，且隨著捻度的增加，絲束與樹脂的結(jié)合會(huì)變差[7]；楊潔等[8]借助現(xiàn)有的UMT Tribolab摩擦磨損試驗(yàn)儀和課題組自行設(shè)計(jì)制造的摩擦實(shí)驗(yàn)夾具，研究了碳纖維絲束與筘齒之間、碳纖維絲束之間的摩擦性能，探討了法向負(fù)載、纖維束張力、摩擦速率對(duì)碳纖維可織性的影響，對(duì)碳纖維絲束織造損傷范圍進(jìn)行預(yù)估，指出織造中纖維損傷導(dǎo)致織物拉伸性能下降的幅度大于復(fù)合材料，是因?yàn)閾p傷纖維在復(fù)合材料中屬于短纖維增強(qiáng)體，經(jīng)紗摩擦損傷嚴(yán)重；通過改變碳纖維的成型結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)二維管狀編織結(jié)構(gòu)的碳纖維縫合線或設(shè)計(jì)高性能包芯紗，使用二維編織工藝加工以高性能纖維為芯紗，熱融纖維為包纏紗的纖維復(fù)合材料可提高碳纖維的可織性[9]。

由于上述幾種方法在減小碳纖維損傷的同時(shí)增加了高精度織造的難度，因此，本文提出了在碳纖維表面鍍銅來提高其耐磨性，既能減少織造時(shí)碳纖維的損傷，又能保證織造精度。對(duì)鍍銅碳纖維絲束建立細(xì)觀三維模型，并通過拉伸模擬驗(yàn)證了模型的可行性，隨后對(duì)開口過程中樹脂基碳纖維與銅的滑動(dòng)磨損進(jìn)行了有限元仿真模擬，以及對(duì)鍍銅碳纖維絲束的耐磨性的有限元仿真分析，驗(yàn)證鍍銅碳纖維絲束的可織性。

1 鍍銅碳纖維絲束有限元模型

1.1 絲束的三維模型

本文首先對(duì)碳纖維織造時(shí)開口運(yùn)動(dòng)的提綜過程中，絲束與鍍銅綜絲眼之間的滑動(dòng)摩擦磨損進(jìn)行分析，進(jìn)而對(duì)鍍銅碳纖維絲束之間的耐磨性進(jìn)行分析。選用日本東麗株式會(huì)社T300-3K型碳纖維絲束(T300系列)，密度為1.76 g/cm3，單根碳纖維直徑為5 μm，抗拉強(qiáng)度為3.5 GPa，彈性模量為 230 GPa，綜絲眼尺寸為3.14 mm×1.70 mm。根據(jù)碳纖維絲束的實(shí)際尺寸建立三維模型，然后在有限元軟件中進(jìn)行磨損分析，碳纖維絲束三維模型結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 鍍銅綜眼與鍍銅碳纖維絲束三維模型圖Fig.1 Three-dimensional model of copper-plated heald eye and copper-plated carbon fiber bundle

圖1中分為樹脂基碳纖維絲束與鍍銅綜絲眼的磨損，開口過程中鍍銅碳纖維絲束之間的磨損2個(gè)部分。在開口織造過程中，綜框按照簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律作上下往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)，圖中綜框由綜絲和穿綜桿構(gòu)成，每個(gè)綜絲眼中都穿有碳纖維絲束。在提綜過程中，綜框帶動(dòng)綜絲眼中的碳纖維絲束向上作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，碳纖維絲束在運(yùn)動(dòng)過程中受到綜絲眼對(duì)其向上的推力，當(dāng)綜框運(yùn)動(dòng)到最大動(dòng)程時(shí)，碳纖維絲束所受壓力最大。提綜時(shí)，綜框從綜平位置做先加速后減速的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)到最大高度時(shí)靜止一段時(shí)間，然后回綜時(shí)做方向相反、速度相同的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)，因此，當(dāng)綜框在綜平位置由靜止開始做加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，碳纖維絲束突然受到垂直向上的推力會(huì)產(chǎn)生一個(gè)初始損傷，之后由于絲束本身的彈性特性會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，因其具有耐磨性的特性，碳纖維絲束受到的損傷可忽略不計(jì)。鍍銅碳纖維絲束之間的磨損指的是開口時(shí)兩頁綜框分別由梭口最大的兩端運(yùn)動(dòng)到綜平位置相交后繼續(xù)向另一端運(yùn)動(dòng)，即綜平?提綜?回綜?綜平的過程中，鍍銅碳纖維絲束1和2之間由于排列緊密，在相交時(shí)產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦損傷。

1.2 絲束細(xì)觀三維模型的建立

為更有效地研究鍍銅碳纖維絲束的耐磨性能，本文三維建模時(shí)對(duì)鍍銅碳纖維絲束模型進(jìn)行了簡(jiǎn)化。若直接對(duì)T300-3K碳纖維絲束建模進(jìn)行研究，則需要很多的單元節(jié)點(diǎn)，計(jì)算量非常大，需要很大的內(nèi)存空間，且計(jì)算時(shí)間長(zhǎng)，計(jì)算過程太過繁瑣會(huì)導(dǎo)致計(jì)算誤差增大，因此，為減少計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間，又因?yàn)榻z束局部鍍銅層的磨損與整體的磨損具有一致性，所以本文使用近似最小重復(fù)單元單胞來構(gòu)成宏觀織物，并采用細(xì)觀力學(xué)的方法對(duì)該模型進(jìn)行拉伸驗(yàn)證，保證單胞邊界處滿足位移和應(yīng)力連續(xù)條件[10]。根據(jù)圖2中鍍銅碳纖維絲束的掃描電鏡照片構(gòu)成元素的細(xì)觀映射圖，在ABAQUS中建立相應(yīng)的絲束細(xì)觀模型，簡(jiǎn)化后的絲束細(xì)觀模型尺寸參數(shù)如表1所示。

圖2 鍍銅碳纖維絲束細(xì)觀模型Fig.2 Coppe-plated wire bundle mesoscopic model

表1 鍍銅碳纖維絲束細(xì)觀模型幾何參數(shù)Tab.1 Geometric parameters of copper-plated wire bundles μm

為更好地分析鍍銅碳纖維耐磨有效性，首先將圖2中4根碳纖維絲束周圍的銅膜改為環(huán)氧樹脂材料，即建立樹脂基碳纖維絲束細(xì)觀模型。當(dāng)碳纖維周圍均勻分布著環(huán)氧樹脂時(shí)，在有限元軟件ABAQUS中對(duì)上文所建絲束細(xì)觀模型進(jìn)行拉伸仿真驗(yàn)證，設(shè)置絲束與樹脂基之間為耦合接觸，保證二者在加載過程中不會(huì)產(chǎn)生分離現(xiàn)象，將模型的一端 6個(gè)自由度完全固定，在另一端施加3 500 MPa的拉伸載荷，斷裂延伸率為1.6%，網(wǎng)格劃分采用完全六面體網(wǎng)格，網(wǎng)格單元類型為C3D8R(八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元)，仿真結(jié)果如圖3所示。從該模型整體應(yīng)力云圖可以看出，分布在纖維區(qū)域的平均應(yīng)力大于周圍樹脂區(qū)域的應(yīng)力，尤其是纖維與樹脂交界處的應(yīng)力較大，由此可以說明纖維相較于樹脂而言，在整個(gè)模型中有較大的承載力，完全符合碳纖維高模量、高強(qiáng)度的特點(diǎn)，驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性，可用于樹脂基碳纖維及鍍銅碳纖維表面磨損的研究。

圖3 絲束細(xì)觀模型拉伸驗(yàn)證應(yīng)力云圖Fig.3 Tensile verification stress cloud diagram of filament model

2 碳纖維樹脂復(fù)合材料與銅磨損分析

為研究在碳纖維絲束表面鍍銅后的耐磨性是否有所提高，先對(duì)碳纖維和環(huán)氧樹脂復(fù)合材料與鍍銅綜絲眼之間的滑動(dòng)摩擦磨損進(jìn)行研究。選用JC-02A+JC-02B型環(huán)氧樹脂材料，彈性模量為2.4 GPa，泊松比為0.35，假設(shè)環(huán)氧樹脂均勻分布在碳纖維周圍，1.2節(jié)已對(duì)該模型進(jìn)行了仿真拉伸驗(yàn)證表明其可用性。此過程中還用到了單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料漸進(jìn)損傷失效模型，結(jié)合三維應(yīng)力狀態(tài)下單向纖維復(fù)合材料失效的Hashin強(qiáng)度準(zhǔn)則和Puck作用面斷裂準(zhǔn)則來判斷本文碳纖維樹脂復(fù)合材料縱向和橫向初始損傷。漸進(jìn)損傷模型實(shí)質(zhì)上是一種基于材料應(yīng)變狀態(tài)的材料彈性性能劣化方案，劣化的彈性性能和應(yīng)變狀態(tài)是由損傷變量維系的[11]，漸進(jìn)損傷模型結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 漸進(jìn)損傷模型的結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of progressive damage model

碳纖維復(fù)合材料的力學(xué)行為可類比為正交各向異性材料，有3個(gè)性能對(duì)稱平面和9個(gè)剛度系數(shù)，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系為：

式中：σij為應(yīng)力張量分量；εij為應(yīng)變張量分量；Cij為剛度矩陣分量，其由彈性模量Ei、剪切模量Gij和泊松比vij構(gòu)成，具體公式為：

C44=G12；C55=G23；C66=G13

Δ=1-v12v21-v23v32-v13v31-2v21v13v32

本文使用的漸進(jìn)損傷模型先確立了損傷變量和材料劣化彈性性能之間的關(guān)系，將受損材料的柔度張量轉(zhuǎn)化為6×6的柔度矩陣，然后對(duì)柔度矩陣求逆得出受損材料的剛度矩陣；通過損傷演化模型建立材料應(yīng)變狀態(tài)和損傷張量主值之間的關(guān)系，根據(jù)損傷后的應(yīng)力暴露因子和指數(shù)應(yīng)變軟化來確定材料損傷后的機(jī)械本構(gòu)行為。材料損傷演化模型方程為：

式中：dM為損傷變量；rM為應(yīng)力暴露因子；AM為軟化曲線待定參數(shù)。

2.1 碳纖維樹脂復(fù)合材料與銅磨損有限元前處理

首先在ABAQUS中對(duì)碳纖維樹脂復(fù)合材料建模并對(duì)其進(jìn)行切片處理，將已建好的碳纖維、環(huán)氧樹脂和銅塊的三維模型進(jìn)行裝配，并分別賦予材料屬性，定義各材料的彈性模量、泊松比、剪切模量、摩擦因數(shù)和損傷變量等屬性，設(shè)置銅塊沿著纖維的軸線方向運(yùn)動(dòng)；建立分析步，使用動(dòng)態(tài)顯示算法，設(shè)置加載時(shí)間為0.2 s，將碳纖維復(fù)合材料模型底端6個(gè)自由度完全固定約束，并對(duì)銅塊施加2.5 MPa的力，模擬銅塊和碳纖維復(fù)合材料模型的接觸摩擦作用過程；銅塊與碳纖維復(fù)合材料模型之間的接觸采用通用接觸算法，切向摩擦因數(shù)設(shè)置為0.2，法向采用硬接觸來模擬銅塊與碳纖維復(fù)合材料模型之間的相互作用；碳纖維復(fù)合材料模型底部采用固支邊界約束，同時(shí)對(duì)銅塊設(shè)置函數(shù)位移條件，然后采用顯示實(shí)體單元對(duì)銅塊和碳纖維復(fù)合材料模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格單元類型為八節(jié)點(diǎn)六面體線性減縮積分單元，有限元前處理結(jié)果如圖5所示。

圖5 有限元前處理結(jié)果Fig.5 Pre-processing result of finite element. (a) Setting of model constraints;(b) Grid generation

2.2 有限元仿真結(jié)果分析

將前處理結(jié)束后的樹脂基碳纖維復(fù)合材料與銅塊的整體模型在ABAQUS作業(yè)模塊中提交，模型在該模塊中利用漸進(jìn)損傷算法在UMAT子程序中進(jìn)行分析計(jì)算并調(diào)試程序，最后在可視化模塊中加載出應(yīng)力云圖如圖6所示?？梢缘贸觯瑯渲祭w維與銅磨損時(shí)最大應(yīng)力約為73.34 MPa，磨損時(shí)碳纖維表面的樹脂先被磨掉，碳纖維絲束剛開始與銅磨擦?xí)r有輕微的損傷，由于碳纖維的耐磨性和回彈現(xiàn)象，且開口過程中碳纖維受到的軸壓載荷很小，所以當(dāng)銅將碳纖維表層樹脂磨掉后與碳纖維磨的時(shí)候纖維損傷較小。

圖6 有限元應(yīng)力云圖Fig.6 Finite element stress cloud diagram.(a) Damage stress cloud map at initial acceleration;(b) Damage stress cloud map during deceleration; (c) Stress cloud diagram of resin-based carbon fiber composites after injury; (d)Damage stress cloud diagram of carbon fiber after wear

圖7 碳纖維的漸進(jìn)損傷Fig.7 Progressive damage of carbon fiber.(a) Stress convergence of damage points perpendicular to fiber direction;(b) Strain curve at same damage point perpendicular to fiber direction;(c) Stress curve at same damage point perpendicular to fiber direction

在ABAQUS可視化模塊中先將垂直于纖維方向的應(yīng)力、應(yīng)變與時(shí)間的曲線圖繪制出來，然后在MatLab中進(jìn)行Plot得到圖7。其中圖7(a)為銅塊與樹脂基碳纖維在0～0.2 s這段時(shí)間內(nèi)磨損時(shí)，樹脂基碳纖維上垂直于纖維方向的各損傷點(diǎn)所受應(yīng)力變化情況，圖7(b)和(c)為垂直于纖維方向上某一損傷點(diǎn)的應(yīng)力、應(yīng)變隨時(shí)間的變化情況。

由圖7可知，銅塊作簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng)的過程中對(duì)碳纖維樹脂復(fù)合材料施加垂直于纖維方向的壓縮載荷，當(dāng)碳纖維樹脂復(fù)合材料出現(xiàn)損傷一定時(shí)間后，碳纖維開始出現(xiàn)彈性卸載并進(jìn)入反向加載階段，經(jīng)過一段時(shí)間后收斂至一定范圍內(nèi)不變，體現(xiàn)了碳纖維損傷的不可逆性和材料損傷后的彈性卸載特性。

3 鍍銅碳纖維絲束耐磨性分析

本文考慮到開口過程中不同綜框之間由提綜→回綜→綜平位置后，再進(jìn)行反向提綜→回綜→綜平時(shí)，不同綜框上的碳纖維絲束在綜平位置交匯時(shí)的摩擦?xí)?dǎo)致絲束表面出現(xiàn)起毛現(xiàn)象，如圖8中所示碳纖維1和2都處在綜平位置ABC時(shí)的摩擦情況，通過在碳纖維絲束周圍鍍有色金屬銅來增加絲束的耐磨性，采用Archard磨損模型來對(duì)鍍銅碳纖維絲束耐磨性進(jìn)行分析，Archard模型可通過每個(gè)增量步動(dòng)態(tài)確定磨損表面的形狀，并使單元上的節(jié)點(diǎn)向磨損面法向移動(dòng)[12-14]。本文中鍍銅層的磨損量為單元節(jié)點(diǎn)上的偏移量，磨損過程中節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移導(dǎo)致單元畸變或產(chǎn)生負(fù)體積。為避免這一情況的發(fā)生，本文采用了網(wǎng)格自適應(yīng)技術(shù)，在每次增量步結(jié)束后對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重繪，保證了磨損量的精確度。Archard模型[15-16]公式為：

圖8 開口運(yùn)動(dòng)時(shí)碳纖維絲束交匯時(shí)的示意圖Fig.8 Schematic diagram of intersection of carbon fiber bundles during opening motion

3.1 鍍銅絲束磨損有限元計(jì)算前處理

先將絲束的細(xì)觀模型導(dǎo)入ABAQUS軟件中，并在裝配體模塊中將銅模和碳纖維細(xì)觀模型通過定位的方法將二者裝配為碳纖維鍍銅絲束細(xì)觀整體模型，同時(shí)將材料屬性分別賦予碳纖維和銅模，并對(duì)原絲束模型進(jìn)行去膠處理，將原來模型中絲束周圍的環(huán)氧樹脂材料改為有色金屬銅，保證碳纖維周圍均勻分布著有色金屬銅。

根據(jù)絲束模型拉伸驗(yàn)證的可行性，對(duì)鍍銅碳纖維絲束裝配模型提出以下假設(shè)：1)細(xì)觀鍍銅碳纖維絲束完全平直，本文細(xì)觀模型不考慮單絲彎折；2)鍍銅層均勻分布在碳纖維絲束的周圍，碳纖維單絲與銅層緊密結(jié)合可忽略其非常小的摩擦；3)鍍銅層與碳纖維絲束為機(jī)械結(jié)合。該絲束模型中碳纖維周圍都為鍍銅層，為方便研究銅層之間的耐磨性，在 2個(gè)鍍銅碳纖維絲束模型之間設(shè)置2個(gè)很薄的鍍銅層1和2進(jìn)行磨損分析并采用不同的網(wǎng)格劃分方式，由于鍍銅層1和2很薄，磨損時(shí)易產(chǎn)生畸變而失效，采用自適應(yīng)網(wǎng)格技術(shù)劃分網(wǎng)格時(shí)，需要使用C3D8R實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化來提高分析精度，同時(shí)將銅層厚度增加到4 μm 的安全值，這樣磨損時(shí)網(wǎng)格不斷重繪就不會(huì)產(chǎn)生負(fù)體積和畸變，如圖9所示。

圖9 鍍銅絲束網(wǎng)格劃分模型Fig.9 Copper-plated wire bundle mesh generation model

本文根據(jù)絲束磨損運(yùn)動(dòng)的要求設(shè)定2個(gè)分析步：第1步將鍍銅絲束整體模型壓緊；第2步對(duì)模型施加邊界條件和運(yùn)動(dòng)方式。在第1個(gè)分析步中定義該絲束模型的接觸壓力約為0.004 MPa；在第2個(gè)分析步中將其中一個(gè)鍍銅絲束整體模型的底部6個(gè)自由度全部固定，即施加邊界約束ENCASTRE(U1=U2=U3=UR1=UR2=UR3=0)，對(duì)上部模型施加位移條件，將垂直于纖維軸線方向移動(dòng)距離設(shè)置為24 μm，控制位移距離在2～26 μm范圍內(nèi)，保證上下模型的主從面在磨損過程中不會(huì)分離，如圖10所示。

圖10 模型邊界條件的設(shè)置Fig.10 Setting of model boundary conditions

當(dāng)鍍銅絲束模型的材料屬性、接觸定義、運(yùn)動(dòng)控制和邊界條件等都設(shè)置完成后，利用摩擦磨損算法來計(jì)算磨損深度，磨損部件上的每個(gè)接觸節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)、接觸應(yīng)力和位移量在每個(gè)增量步結(jié)束時(shí)都會(huì)被提取進(jìn)行磨損量的計(jì)算，同時(shí)對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行重繪，使原來單元上的節(jié)點(diǎn)根據(jù)相應(yīng)的磨損深度再次進(jìn)行偏移，此時(shí)模型也相應(yīng)地從原來的位置移動(dòng)到新的位置，如此循環(huán)往復(fù)直至仿真結(jié)束。在此過程中還需要用到子程序UMESHMOTION來不斷調(diào)節(jié)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)，然后反饋給主程序節(jié)點(diǎn)位移的偏移量ULOCAL，保證模型在磨損面的法線方向上移動(dòng)，最后鍍銅層的磨損量為銅層上節(jié)點(diǎn)的總偏移量，如圖11、 12所示。磨損時(shí)銅層上一節(jié)點(diǎn)的偏移量可用公式表示為

ΔX=PKD

式中：P為接觸面節(jié)點(diǎn)法向接觸應(yīng)力，N；K為磨損系數(shù)；D為磨損距離，m。

圖11 銅模磨損區(qū)域Fig.11 Copper die wear area

圖12 磨損有限元仿真流程圖Fig.12 Finite element simulation flow chart of wear

3.2 鍍銅絲束磨損仿真分析結(jié)果

圖13示出鍍銅碳纖維絲束的磨損應(yīng)力云圖。由圖可知，當(dāng)鍍銅碳纖維絲束之間每0.001 2 s往復(fù)磨損1次時(shí)，絲束在不同位置的應(yīng)力變化情況，改變鍍銅厚度分別進(jìn)行磨損計(jì)算，在可視化模塊中創(chuàng)建鍍銅厚度與耐磨次數(shù)的關(guān)系，結(jié)果如圖14所示。

圖13 磨損應(yīng)力云圖Fig.13 Wear stress cloud diagram.(a) Stress cloud map of initial position during wear;(b) Stress clouds at end of wear

圖14 鍍銅厚度與耐磨次數(shù)的關(guān)系Fig.14 Relationship between copper plating thickness and wear resistance

從圖14可以看出，鍍銅厚度與耐磨次數(shù)成正比例關(guān)系，鍍銅厚度每增加0.5 μm，耐磨次數(shù)也會(huì)相應(yīng)增加約1 000次，所以鍍銅層越厚耐磨性能越好，但鍍銅層越厚就越容易出現(xiàn)溶液比例不當(dāng)而產(chǎn)生結(jié)塊現(xiàn)象，因此，鍍銅厚度在0.5～1.0 μm范圍內(nèi)最為恰當(dāng)。當(dāng)鍍銅厚度為1.0 μm時(shí)，通過計(jì)算得到磨損距離可達(dá)到使用要求，耐磨性能可滿足生產(chǎn)需求。現(xiàn)有研究表明未上漿或漿液質(zhì)量為3%的碳纖維的耐磨次數(shù)可達(dá)到936次[6]，而本文所研究的鍍銅厚度為0.5 μm的碳纖維耐磨次數(shù)可達(dá)950次，鍍銅厚度為1.0 μm的碳纖維耐磨次數(shù)可達(dá)1 800次。由此可見，在碳纖維絲束表面鍍銅可很好地提高絲束耐磨性，減少絲束的摩擦損傷，有效提高織物的質(zhì)量和力學(xué)性能。

4 鍍銅碳纖維絲束的可織性分析

4.1 纖維可織性的評(píng)定方法

纖維的可織性一般是通過分析其硬挺度來測(cè)定的，而纖維的硬挺度則是指其柔軟度和抗彎剛度，一般是根據(jù)抗彎剛度越大越不易彎曲的原理來評(píng)定的。評(píng)定纖維硬挺度最常用的方法是斜面法，本文利用斜面法將一定長(zhǎng)度的碳纖維單絲作為懸臂梁，一端固定約束，在另一端施加載荷，通過提取纖維上任意一點(diǎn)的位移變化情況來反映纖維硬挺度的大小。單元?jiǎng)偠确匠炭梢员硎緸椋?/p>

[P]e=Ke[δ]e

式中：[P]e為單元節(jié)點(diǎn)內(nèi)力向量；Ke為單元?jiǎng)偠染仃?；[δ]e為單元節(jié)點(diǎn)位移向量。

在ABAQUS中進(jìn)行前處理時(shí)選用Skin的功能代替三維實(shí)體覆蓋在纖維表面上，同時(shí)創(chuàng)建膜屬性(Membrane)。由于在ABAQUS中默認(rèn)的膜單元為S4R，因此，需要在.inp文件中將單元屬性改為三維四節(jié)點(diǎn)減縮積分薄膜單元(M3D4R)，纖維則采用掃略中性軸算法的網(wǎng)格劃分方法劃分網(wǎng)格。

4.2 不同種類纖維的可織性對(duì)比分析

通過計(jì)算轉(zhuǎn)化上漿的質(zhì)量分?jǐn)?shù)得出碳纖維上漿厚度為2.0 μm，并與鍍銅厚度為0.5和1.0 μm的碳纖維及ZylonHM纖維(日本東洋紡株式會(huì)社生產(chǎn)的聚苯撐苯并噁唑HM型纖維)作纖維硬挺度的對(duì)比分析，結(jié)果如圖15所示。

圖15 各類纖維單絲硬挺度比較Fig.15 Comparison on flexibility of various fiber monofilaments.(a) Copper coated carbon fiber of 0.1 μm;(b) Copper coated carbon fiber of 0.5 μm;(c) Copper coated carbon fiber of 1.0 μm;(d) Copper coated carbon fiber of 2.0 μm; (e)ZylonHM fiber; (f)Sized carbon fiber

在ABAQUS中先將各類纖維單絲頂點(diǎn)彎曲位移與載荷的關(guān)系圖一一生成，然后將其導(dǎo)入MatLab編程軟件中進(jìn)行整合，通過程序編寫得出圖16所示的頂點(diǎn)彎曲位移與載荷的關(guān)系圖?？芍?，鍍銅1.0 μm 的碳纖維硬挺度相較于上漿碳纖維更好，因此鍍銅層為1 μm的碳纖維可織性良好。

圖16 各類纖維單絲頂點(diǎn)彎曲位移與載荷關(guān)系Fig.16 Relationship between apex bending displacement and load of various fiber monofilaments

5 結(jié) 論

本文對(duì)樹脂基碳纖維與銅進(jìn)行磨損仿真分析發(fā)現(xiàn)，碳纖維在織造時(shí)的損傷是不可逆的，進(jìn)而提出在碳纖維表面鍍銅形成保護(hù)層來減少織造過程中的起毛、斷經(jīng)問題，通過有限元技術(shù)對(duì)鍍銅碳纖維絲束進(jìn)行了耐磨性的分析，得到如下結(jié)論。

1)通過對(duì)碳纖維樹脂復(fù)合材料與銅進(jìn)行漸進(jìn)損傷分析，得出碳纖維材料損傷的不可逆性和損傷后材料進(jìn)行彈性卸載的特性。

2)對(duì)鍍銅厚度為0.1、0.5、1.0、2.0 μm的碳纖維絲束進(jìn)行磨損仿真分析，結(jié)果表明，絲束的耐磨次數(shù)隨著鍍銅厚度的增加而增加，鍍銅厚度在1 μm時(shí)最適合織造。

3)通過對(duì)比鍍銅厚度不同的碳纖維與ZylonHM纖維、上漿碳纖維的可織性可知，纖維的硬挺度隨著鍍銅厚度的增加而增大。