基于Fibersim的碳纖維復(fù)合材料油底殼設(shè)計

秦曉宇，馬其華，周琪，甘學(xué)輝

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，上海 201620； 2.東華大學(xué)民用航空復(fù)合材料東華大學(xué)協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 201620；3.上海市高性能纖維復(fù)合材料協(xié)同創(chuàng)新中心(省部共建)，上海 201620)

碳纖維增強復(fù)合材料最早出現(xiàn)于1879年，發(fā)展至今已成為高性能和輕量化的代名詞。近年來，隨著國家能源戰(zhàn)略的推進以及綠色發(fā)展理念深入人心，輕量化被視為最直接有效的節(jié)能減排措施。排放污染較為嚴重的汽車行業(yè)，輕量化是整個行業(yè)亟待解決的關(guān)鍵問題，而碳纖維復(fù)合材料的特性恰好契合輕量化對于構(gòu)件材料性能的苛刻要求，因此其在汽車零部件上的應(yīng)用得到了廣泛研究。洪寶劍[1]研究了傳動軸的復(fù)合材料替換，利用有限元軟件對碳纖維復(fù)合材料傳動軸進行強度校核并運用Tsai-Wu失效準則分析了不同的鋪層次序、角度和厚度對傳動軸扭轉(zhuǎn)剛度和強度的影響，通過纏繞成型法制造了樣件，最后通過試驗驗證了有限元設(shè)計方法的準確性。李永剛[2]按照歐盟汽車標準體系(ECE)對保險杠的要求，通過有限元仿真軟件驗證了碳纖維復(fù)合材料保險杠的可靠性，得到吸能效果最好的鋪層設(shè)計。王慶等[3]以某款電動車保險杠為原型，設(shè)計了碳纖維復(fù)合材料保險杠，并利用Opti Stuct軟件對其進行質(zhì)量優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果滿足碰撞法規(guī)要求并減重達36%。吳方賀[4]研究開發(fā)了碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機罩，結(jié)合碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計原則和有限元仿真分析，制造出了通過行人保護性能測試的碳纖維復(fù)合材料發(fā)動機蓋，驗證了碳纖維復(fù)合材料作為輕量化材料替換車身金屬覆蓋件的可行性。生產(chǎn)制造工藝對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響至關(guān)重要，而上述研究未充分考慮所設(shè)計零部件的剪切、鋪覆技術(shù)等制造工藝，這會導(dǎo)致設(shè)計的產(chǎn)品不一定能投入生產(chǎn)且其力學(xué)性能會與設(shè)計的性能出現(xiàn)偏差。因此，在進行碳纖維復(fù)合材料零部件設(shè)計時，要充分考慮實際的制造工藝水平，設(shè)計出滿足生產(chǎn)和使用要求的零部件。Fibersim軟件擁有獨特的復(fù)合材料鋪覆仿真技術(shù)，可幫助工程師在產(chǎn)品設(shè)計初期就發(fā)現(xiàn)纖維鋪覆情況，進而調(diào)整產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和鋪覆方案，保證產(chǎn)品的制造可行性，實現(xiàn)復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計、制造及工藝一體化。筆者通過對鋼制油底殼進行等剛度替換來初步確定碳纖維制油底殼的厚度，再基于Fibersim軟件對構(gòu)件進行鋪覆性分析驗證；分別利用分塊和剪口處理兩種方案對不滿足鋪覆性要求的鋪層進行處理，并分析對比兩種方案的優(yōu)缺點，最后得到具備可制造性的碳纖維復(fù)合材料油底殼鋪覆方案。

1 碳纖維復(fù)合材料油底殼可行性分析

當(dāng)前使用的燃油發(fā)動機汽車存在諸多問題，據(jù)統(tǒng)計在80%的路況下，一輛乘用車只利用了燃油燃燒產(chǎn)生的40%能量，在市區(qū)工況更是跌至25%，造成了極大能源浪費，但更嚴重的是因為排放尾氣造成環(huán)境污染，是導(dǎo)致溫室效應(yīng)的重要原因之一[5–7]。為改善環(huán)境，電動汽車應(yīng)運而生，然而受限于按當(dāng)前電池技術(shù)的阻礙，電動汽車的推廣和應(yīng)用進度較慢。迫使工程師設(shè)計出了混合動力汽車，即節(jié)約了能源又減少了環(huán)境污染。

混合動力車的動力能源中電動機系統(tǒng)所占空間比重大，對發(fā)動機的空間要求小，且隨著人們對于汽車舒適度的追求，發(fā)動機艙的設(shè)計越來越小，給與乘坐空間極大的舒適度。因此發(fā)動機動力總成朝著輕量化和小型化發(fā)展。筆者以某款混合動力汽車發(fā)動機油底殼作為研究對象，對其碳纖維復(fù)合材料化的可行性進行研究分析。

1. 1 輕質(zhì)高強

油底殼常用的材料包括鋼、鋁合金和尼龍塑料，它們與碳纖維復(fù)合材料的性能參數(shù)對比見表1。由此可見，碳纖維復(fù)合材料的比強度和比模量是其它材料的1～5倍，并且密度小，同等體積下質(zhì)量更輕[8]。

表1 碳纖維復(fù)合材料與油底殼常用材料對比

1. 2 可設(shè)計性強

目前通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法對發(fā)動機油底殼進行輕量化設(shè)計難以取得重大突破，而碳纖維復(fù)合材料其可設(shè)計性強，通過混合法則，選取不同的纖維材料或樹脂材料，并控制纖維含量和進行鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以制造出滿足工況要求的高性能油底殼，實現(xiàn)油底殼產(chǎn)品的輕量化。

1. 3 高安全性

油底殼除儲油功能，還需滿足輕量化、集成化和小型化發(fā)展需求。在此過程中需保證油底殼的安全性。在強度方面，除了要求承受儲油重力和發(fā)動機運作產(chǎn)生的激勵振動外，還有在行駛過程路面顛簸導(dǎo)致儲油振動對油底殼施加額外的沖擊載荷，并且還需驗證油底殼承受發(fā)動機重量的可行性。由表1可知，碳纖維復(fù)合材料的強度優(yōu)于金屬材料，滿足強度要求。在耐久方面，油底殼在工作狀態(tài)下溫度處于–40～150℃之間，需保持尺寸精度，抵抗變形；并且在長期的使用中須具有耐油性，抵抗外部水分鹽分的腐蝕。碳纖維復(fù)合材料的耐熱性與耐腐蝕性主要取決于其基體材料的選擇，環(huán)氧樹脂作為廣泛應(yīng)用的樹脂基體，其加工型、耐熱性和成型性都十分優(yōu)異，可以保證成型部件的耐熱性能，而通過程度高的固化工藝和表面處理，可以保證碳纖維與基體件的界面粘結(jié)力，阻擋腐蝕介質(zhì)滲透、擴散，保障產(chǎn)品的耐腐蝕性[9]。

2 復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)設(shè)計原則

在設(shè)計碳纖維復(fù)合材料零件時，需要根據(jù)零件所處工況設(shè)計滿足強度要求的鋪層結(jié)構(gòu)，同時還需要對其可制造性進行驗證，保證設(shè)計零件可生產(chǎn)制造。因此碳纖維復(fù)合材料零件的設(shè)計是材料、結(jié)構(gòu)和工藝一體化的并行設(shè)計，在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中要考慮工藝的可實現(xiàn)性。

2.1 鋪層設(shè)計一般原則

(1)鋪層角度的設(shè)計要考慮零件在工況載荷下的強度和剛度要求，為制造出滿足要求的碳纖維復(fù)合材料層合板，可以設(shè)計任意方向鋪層，但過多的角度的鋪層會導(dǎo)致設(shè)計的繁瑣、分析的復(fù)雜以及工藝設(shè)計的困難，因此在實際設(shè)計中通常只采用四個角度的鋪層，即0°，90°，±45°鋪層。

(2)在一個零件的鋪層結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)盡可能同時包含0°，90°，±45°四種鋪層，考慮到設(shè)計分析以及工藝制造的簡化，±45°鋪層應(yīng)成對出現(xiàn)。其中，如果±45°鋪層設(shè)計的盡量接近，則可以減少層壓板的彎扭耦合，避免對層壓板有效剛度和穩(wěn)定性的影響；如果±45°鋪層設(shè)計時較為分散，則可以有效降低層間剪切應(yīng)力，因此±45°鋪層設(shè)計時要按照實際工況需求決定其距離[10]。

(3)各角度鋪層的體積分數(shù)應(yīng)為10%～60%之間，即單方向鋪層數(shù)占總鋪層數(shù)的比值[11]。

①在設(shè)計單軸零件時，0°鋪層應(yīng)占50%～60%；±45°鋪層應(yīng)占30%～40%；90°鋪層大約占10%，0°主要承受拉、壓載荷。

②在設(shè)計承受剪切載荷零件時，0°鋪層應(yīng)占10%～30%；±45°鋪層應(yīng)占60%～80%；90°鋪層大約占10%，±45°主要承受剪力。

③在設(shè)計承受多向載荷的零件時，0°鋪層應(yīng)占25%左右；±45°鋪層應(yīng)占50%；90°鋪層應(yīng)占大約25%。

(4)層合板泊松比差異較大會導(dǎo)致橫向收縮不同，進而出現(xiàn)層間應(yīng)力，通常使用90°鋪層來調(diào)整泊松比。

(5)相同角度的鋪層連續(xù)鋪覆不能大于4層，連續(xù)的相同角度鋪層過多會導(dǎo)致分層、基體開裂等現(xiàn)象，以及和螺栓連接時的剪切破壞等。

2.2 鋪層拼接設(shè)計原則

當(dāng)設(shè)計零件較大且形狀復(fù)雜時，會導(dǎo)致碳纖維復(fù)合材料單向帶的幅寬不足和鋪覆效果不理想，難免會對復(fù)合材料碳纖維單向帶進行裁剪，來解決幅寬問題和滿足鋪覆可行性。裁剪后的碳纖維復(fù)合材料單向帶之間需要進行連接設(shè)計，通常有對接和搭接兩種方式。

(1)對接。

如圖1所示，對接方案中，同一鋪層面內(nèi)，鋪層的對接間隙不大于0.25 mm，連續(xù)的兩層鋪層平面內(nèi)，其鋪層對接位置應(yīng)相隔不小于(25±4) mm，即保證對接位置錯開，如果要在相同位置處出現(xiàn)對接間隙，則應(yīng)該至少隔4層才能出現(xiàn)。

圖1 對接方案示意圖

(2)搭接。

如圖2所示的搭接方案，同一鋪層平面內(nèi)，分塊鋪層連接時，采用一塊鋪層搭在另一塊鋪層上，搭接量為12～25 mm，連續(xù)的兩層鋪層平面內(nèi)，相鄰鋪層搭接位置之間至少有2 000 mm的錯開量。在以下情況應(yīng)避免使用搭接：①作為裝配面的零件表面，應(yīng)避免使用搭接，會導(dǎo)致裝配時發(fā)生密封不可靠的；②對表面美觀有要求的A級曲面，應(yīng)避免使用搭接，搭接產(chǎn)生的厚度不均勻會影響美觀。

圖2 搭接方案示意圖

2.3 圓角半徑設(shè)計原則

層壓板構(gòu)件通常不是一個直板，而是擁有各式各樣形狀的零件，在構(gòu)件出現(xiàn)曲率變化或特征凸起時，會產(chǎn)生圓角，其圓角半徑的大小與材料的材質(zhì)、采用的模具類型以及層壓零件厚度等有關(guān)。最小圓角半徑的確定決定著層壓板零件拐角處的質(zhì)量，如果圓角半徑過小，會在拐角區(qū)域發(fā)生纖維拉斷、架橋和樹脂堆積等制造缺陷，因此，拐角處圓角半徑在不妨礙功能的前提下應(yīng)盡可能的大，避免形成尖銳的棱角。根據(jù)工程師經(jīng)驗總結(jié)，用預(yù)浸料成型的碳纖維層壓板件圓角半徑設(shè)計規(guī)則見圖3與表2。

圖3 不同模具下圓角

表2 碳纖維層壓板圓角半徑設(shè)計規(guī)則表

3 碳纖維復(fù)合材料油底殼的等代設(shè)計

碳纖維復(fù)合材料油底殼的等代設(shè)計是通過原鋼制沖壓油底殼的結(jié)構(gòu)進行材料替換設(shè)計，由于碳纖維復(fù)合材料性能與工藝差異，需對原鋼制油底殼的結(jié)構(gòu)進行更改，再進行鋪覆仿真分析，確定碳纖維復(fù)合材料油底殼的結(jié)構(gòu)形狀。

3.1 等剛度替換原理

采用輕量化潛能高的輕質(zhì)高強材料替換原材料是目前最有效的輕量化方法，在進行材料替換時，通常采用的是等剛度替換原理來初步確定替換后結(jié)構(gòu)件厚度[12]。

基于等剛度近似理論的替代公式如下所示：

其中，Ec，EM分別為碳纖維復(fù)合材料層壓板的等效模量和金屬材料的彈性模量，Ic，IM分別為碳纖維復(fù)合材料層壓板結(jié)構(gòu)截面慣性矩和金屬結(jié)構(gòu)的界面慣性矩。在薄壁結(jié)構(gòu)中，橫截面積的寬度有如下關(guān)系：

通過查閱相關(guān)文獻可得[13]，鈑金件剛度K與厚度的關(guān)系式如下：

其中C為幾何系數(shù)，E為材料彈性模量，t為結(jié)構(gòu)的厚度值，α為厚度指數(shù)系數(shù)。

通過對以上公式進行替換轉(zhuǎn)化后可得碳纖維復(fù)合材料替換金屬材料前后厚度比值：

其中，tc，tM分別為替換后碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)截面厚度和原金屬結(jié)構(gòu)截面厚度，對于汽車零件，取值通常在1～3之間。

采用T700型碳纖維單向帶配合BAC172環(huán)氧樹脂，該組合制成的碳纖維復(fù)合材料制品力學(xué)性能優(yōu)異且工藝可操作性強。油底殼材料替換厚度指數(shù)系數(shù)取2.07，基于上述理論公式可得碳纖維復(fù)合材料油底殼的初步厚度見表3。

表3 油底殼材料替換前后厚度對比

3.2 原金屬油底殼結(jié)構(gòu)形式

發(fā)動機油底殼的主要功能是儲存并收集發(fā)動機各部件表面的機油，是發(fā)動機潤滑系統(tǒng)中重要的一部分。鋼制油底殼三視圖與軸測視圖如圖4所示，油底殼多為階梯狀，在四周墻壁上多布有加強筋結(jié)構(gòu)，上表面均勻分布了涂膠槽，通過密封膠與螺栓配合與發(fā)動機連接，實現(xiàn)密封，通常在底部還布置有放油螺塞。由于油底殼布置于發(fā)動機底部，服役環(huán)境惡劣，除滿足基本儲油功能外，還要求油底殼要抵抗冷熱變化沖擊以及承受復(fù)雜道路狀況的嚴峻考驗。

圖4 鋼制油底殼三視圖與軸測視圖

3.3 碳纖維復(fù)合材料汽車油底殼的設(shè)計

進行鋼制油底殼的碳纖維復(fù)合材料替換設(shè)計，首先需要保證碳纖維復(fù)合材料油底殼滿足金屬復(fù)合材料油底殼的功能要求，包括與發(fā)動機的密封要求，與放油螺栓的連接要求，滿足各工況要求下的強度要求等；然后再保證碳纖維復(fù)合材料油底殼的工藝可制造性，最終實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

由于碳纖維復(fù)合材料零件設(shè)計與金屬材料零件設(shè)計有較大差別，因此在原鋼制油底殼結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進行結(jié)構(gòu)調(diào)整，使其滿足復(fù)合材料的零件設(shè)計要求以及成型工藝要求，如圖5所示。

圖5 碳纖維復(fù)合材料油底殼替換模型

(1)結(jié)構(gòu)改進方面。

①金屬油底殼設(shè)置加強筋結(jié)構(gòu)主要是為了提高自身強度和剛度，從而提升固有頻率，避免共振現(xiàn)象發(fā)生，而碳纖維復(fù)合材料其強度和剛度遠大于金屬材料，因此碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品固有頻率較高，不會發(fā)生共振，基于此，取消原結(jié)構(gòu)的加強筋，進行光順處理，還有利于鋪層的鋪覆。

②通常沖壓件會在模具的作用下，將坯料的邊緣沖制成豎立邊，而樹脂傳遞模塑成型(RTM)的碳纖維復(fù)合材料零件的多余邊料通常采用裁切的方式去除，沒有翻邊的存在，因此將原金屬油底殼的外緣的翻邊去除，形成光滑的外緣。

(2)工藝設(shè)計方面。

①為保證鋪覆工藝的質(zhì)量和效率，進行鋪層鋪覆時，將與發(fā)動機進行螺栓連接的螺栓孔拉平，保證鋪層的完整性，在成型完成后再進行統(tǒng)一的開孔處理，如果在鋪覆過程中就進行開孔，會增加鋪層鋪覆的難度，螺栓孔位置出現(xiàn)偏差。

②考慮到鋪層鋪覆效果，去除涂膠槽特征，保證與發(fā)動機連接的平面的平滑。

③考慮到油底殼上表面需要與發(fā)動機連接并密封，因此，采用陽模作為鋪覆模具，即從密封平面開始鋪覆，保證密封面的平面度。

④采用陽模鋪覆需要對其圓角大小進行改進，如表2所示，碳纖維復(fù)合材料油底殼的厚度初定為3.2 mm，小于5 mm，則油底殼結(jié)構(gòu)中的圓角大小都必須≥5 mm，因此，將金屬油底殼中所有小于5 mm的圓角都更新為5 mm，保證鋪覆可行性。

⑤圖6是金屬油底殼與放油螺栓連接方式截面圖，圖7是碳纖維油底殼金屬預(yù)埋件位置截面圖。如圖6所示，原金屬油底殼的放油螺栓是通過焊接在油底殼上的螺母進行連接，而碳纖維復(fù)合材料無法進行焊接操作，如果考慮在碳纖維復(fù)合材料油底殼成型后，將螺母通過膠接粘在油底殼放油螺栓開孔處，在多次擰緊操作下，膠接強度能否滿足存疑，因此考慮采用預(yù)埋件，如圖7所示，在放油螺栓位置處，將金屬預(yù)埋件埋在鋪層中間并定位，與碳纖維復(fù)合材料油底殼一起共固化成型，然后在定位的預(yù)埋件位置進行攻絲操作，既滿足了強度要求又復(fù)合了密封要求。

圖6 金屬油底殼與放油螺栓連接方式截面圖

圖7 碳纖維油底殼金屬預(yù)埋件位置截面圖

(3)鋪層結(jié)構(gòu)方面。

基于等剛度替換原理，初步確定了碳纖維復(fù)合材料油底殼的厚度為3 mm，每層碳纖維材料的厚度為0.15 mm，考慮到鋪層結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，碳纖維復(fù)合材料同一角度的鋪層為一個整體，因此初步設(shè)定碳纖維復(fù)合材料的鋪層設(shè)計為[455/-455/05/905](右下角5表示為5層)，如圖8所示。

圖8 碳纖維油底殼金屬預(yù)埋件位置處鋪層信息圖

4 碳纖維復(fù)合材料油底殼的鋪層工藝仿真

碳纖維復(fù)合材料油底殼等代設(shè)計完成后，需要對其鋪覆可行性進行驗證，保證其工藝可行性。對于薄殼零件，同一角度鋪層的鋪覆效果受厚度影響不大，因此對各角度鋪層(45°，-45°，0°，90°)，只展示一層鋪覆效果。

Fibersim是復(fù)合材料設(shè)計及鋪覆工藝仿真的專業(yè)工程軟件，其可精確地預(yù)測鋪層與模具之間的貼合情況，對于復(fù)合材料零部件的設(shè)計研究意義非凡。Fibersim擁有極強的兼容性，其可與各主流三維設(shè)計軟件兼容，并輸出適合各分析軟件的格式，適合各類工程師應(yīng)用。工程師通過Fibersim軟件，可直觀快速的查看到設(shè)計初級階段的缺陷，及早的采取措施進行設(shè)計改進和工藝優(yōu)化，節(jié)省了時間成本和物料成本。

利用集成于Catia的Fibersim軟件進行碳纖維復(fù)合材料油底殼鋪覆仿真，在此之前，需要確定鋪覆仿真的五要素，如圖9所示。制造邊界為實際鋪覆時，應(yīng)當(dāng)鋪覆至最大邊界，保證產(chǎn)品留有余量進行修剪加工；設(shè)計邊界為所設(shè)計零件的邊界，也即最終成品的邊界；鋪覆原點一般取鋪覆面的中間點，當(dāng)沒有另外確定鋪覆點時，默認鋪層是從鋪覆原點開始向四周鋪覆；坐標系0°方向即碳纖維復(fù)合材料的纖維方向；鋪覆面為鋪層鋪覆的表面，它決定著鋪覆形狀和方向。

圖9 鋪覆仿真五要素圖

4.1 0°鋪層的鋪覆可行性分析

采用0°鋪層后，鋪覆效果如圖10所示。從圖10a可以看出，在油底殼的四角處出現(xiàn)大片的無法鋪覆區(qū)域（見圖中所示），在Fibersim軟件中有如下規(guī)定，當(dāng)鋪層變形角度大于等于15°，即該區(qū)域?qū)嶋H無法鋪覆，見圖中所示；當(dāng)鋪層變形角度小于15°大于等于10°，鋪覆效果一般，為可以接受區(qū)域，見圖中所示；當(dāng)鋪層變形角度小于10°，是不存在制造問題的區(qū)域，見圖中所示。很明顯看出，在曲率變化范圍較大的四角圓角處，產(chǎn)生了實際無法鋪覆的結(jié)果，通常情況下需要對該缺陷區(qū)域進行剪口或分塊處理。剪口處理一般在曲率變化大的圓角處進行裁剪，因為曲率變化大，平整的碳纖維布會在圓角處出現(xiàn)褶皺，影響零件的力學(xué)性能，如圖10b所示，對曲率變化大的6處圓角處進行了剪口處理，0°鋪層的鋪覆效果大幅提升，原先無法鋪覆的區(qū)域基本變?yōu)榭山邮軈^(qū)域（見圖中所示），只存在些許缺陷區(qū)域，該區(qū)域可經(jīng)過后續(xù)真空帶壓縮使其完成鋪覆；分塊處理一般沿平行于鋪層角度方向進行分塊，不傷害沿纖維方向的力學(xué)性能，為保證分塊少，保證鋪層的完整性，并保證鋪覆效果，對0°鋪層分塊如圖10c所示，將0°鋪層分為豎直三塊，且鋪覆效果可以接受。

圖10 0°鋪層鋪覆效果

4.2 90°鋪層的鋪覆可行性分析

90°鋪層鋪覆效果如圖11所示。從圖11a可以看出，90°鋪層的鋪覆缺陷與0°方向的鋪覆缺陷相似，采用兩種方案處理。在曲率變化大的圓角處進行剪口處理，需要注意的是，剪口位置應(yīng)與0°方向錯開，避免相同位置處出現(xiàn)強度薄弱區(qū)域，如圖11b所示，通過6處剪口處理后，90°鋪層的鋪層效果可接受；按與纖維方向平行的分塊方法進行分塊處理，如圖11c所示，將90°鋪層劃分為橫向三段，并保證了較好的鋪覆性。

圖11 90°鋪層鋪覆效果

4.3 45°鋪層的鋪覆可行性分析

45°鋪層鋪覆效果如圖12所示。從圖12a所示，油底殼不僅出現(xiàn)了鋪覆缺陷區(qū)域（見圖中所示），而且在油底殼右下角和左上角出現(xiàn)了缺料現(xiàn)象，這是因為鋪層發(fā)生皺褶現(xiàn)象，無法鋪平展開。首先采用剪口方案，如圖12b所示，通過6處剪口操作，45°鋪層的鋪覆效果達到了可接受的程度；再嘗試使用分塊方案，如圖12c所示，沿纖維方向?qū)?5°鋪層劃分為三塊，雖然有些許警告區(qū)域，但可通過RTM的模壓工藝處理小范圍褶皺。

圖12 45°鋪層鋪覆效果

4.4 –45°鋪層的鋪覆可行性分析

–45°鋪層鋪覆效果如圖13所示。從圖13可知，–45°鋪層也出現(xiàn)了45°鋪層一樣的鋪覆缺陷，只是位置不同。采取同樣剪口操作，如圖13b所示，只有油底殼上側(cè)有小片缺陷區(qū)域（見圖中所示），可通過RTM模壓工藝壓實解決，整體鋪覆效果可以接受；依舊沿纖維方向進行分塊處理，如圖13c所示，將–45°鋪層劃分成三分，整體鋪覆效果可接受。

圖13 –45°鋪層鋪覆效果

4.5 剪口與分塊方案分析及討論

對于曲率變化大，形狀復(fù)雜的零件，無法用完整的碳纖維鋪層鋪覆，需要對其進行裁剪處理，保證鋪覆可行性。上述對油底殼模型的鋪層設(shè)計采用了剪口和分塊兩種方案，為后續(xù)實際工程應(yīng)用提供參考，現(xiàn)規(guī)定兩個指標來選擇最佳方案：

(1)不合格率。

不合格率即進行剪口或分塊處理后，可接受區(qū)域與缺陷區(qū)域面積占總面積的比值，其中缺陷區(qū)域面積按實際面積的兩倍計算。圖14為剪口與分塊方案不合格區(qū)域?qū)Ρ葓D，可接受和缺陷不合格區(qū)域見圖中所示。其中，a左圖為剪口方案，a右圖為分塊方案。圖14b～圖14d同理。若鋪層中不合格區(qū)域多，則在最終成型時會對碳纖維復(fù)合材料產(chǎn)品的力學(xué)性能造成影響。通過Catia軟件對這些區(qū)域面積進行計算，并除以整層鋪層的面積0.16 m2，便可算出兩種方案下各角度的不合格率，見表4。

圖14 剪口與分塊方案不合格區(qū)域?qū)Ρ葓D

表4 剪口與分塊方案下不同角度的不合格率 %

由表4可以發(fā)現(xiàn)，剪口方案下，各角度鋪層的不合格率都基本小于或等于分塊方案的不合格率，這是因為剪口方案是對鋪覆較差的區(qū)域進行處理，而分塊處理要保證沿纖維方向的要求，存在局限性，會對鋪覆效果好的地方造成損傷，最終導(dǎo)致鋪層的不合格率大于剪口方案。

(2)完整度。

完整度即油底殼周長與鋪層展開后的總周長之比，碳纖維復(fù)合材料的傳力性能是基于其自身完整度實現(xiàn)的，對纖維破壞越小，一體化程度越高力學(xué)性能越高，因此對鋪層完整度的比較，也是對其力學(xué)性能的重視。兩種方案不同角度的鋪層展開圖如圖15所示。其中，a左圖為剪口方案，a右圖為分塊方案。圖15b～圖15d同理。

圖15 剪口與分塊方案鋪層展開圖

通過Catia軟件測量展開圖的周長，再被油底殼的周長1 243.8 mm所除，便可得到表5中的完整度數(shù)值。

表5 剪口與分塊方案下不同角度鋪層的完整度 %

從表5可以看出，剪口方案下的完整度都高于分塊方案，這是因為分塊數(shù)量越多，其邊長越多，所導(dǎo)致的分塊總周長越長，而完整度下降。綜上，采用剪口方案更適用于油底殼模型，既保證鋪覆可行性又能保證碳纖維復(fù)合材料完整度；而分塊方案多適用于大型部件制造，因為大型部件必會引起碳纖維布幅寬不足的問題，此時，只能使用分塊方案處理。

5 結(jié)論

對碳纖維復(fù)合材料油底殼的結(jié)構(gòu)與工藝一體化進行設(shè)計。首先對原金屬結(jié)構(gòu)進行簡化使其符合碳纖維復(fù)合材料設(shè)計的要求，再通過等剛度替換原理初步確定結(jié)構(gòu)厚度，基于Fibersim對鋪覆可行性進行驗證，得出如下結(jié)論：

根據(jù)碳纖維復(fù)合材料零件的特點調(diào)整原金屬油底殼的結(jié)構(gòu)形狀，并通過等剛度原理初步確定了碳纖維復(fù)合材料油底殼厚度為3 mm，以每層碳纖維厚度為0.15 mm設(shè)定碳纖維復(fù)合材料鋪層設(shè)計為[455/-455/05/905]。

為保證鋪覆可行性，依據(jù)復(fù)合材料層合板設(shè)計原則，將油底殼結(jié)構(gòu)中所有小于5 mm的圓角更新為5 mm。

通過Fibersim軟件驗證了金屬結(jié)構(gòu)簡化后碳纖維復(fù)合材料油底殼結(jié)構(gòu)可滿足0°，90°和±45°鋪覆要求，對比分析了剪口方案和分塊方案的不合格率和完整度，最終確定剪口方案優(yōu)于分塊方案。