便捷式纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 與仿真分析

孫 軼，陳智勇，黃曉婧，李紅剛，程豫龍， 賈松巖，康翔宇，宋偉志

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710054； 2.洛陽理工學(xué)院 智能制造學(xué)院，河南 洛陽 471023； 3.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)有限公司 洛陽電光設(shè)備研究所，河南 洛陽 471009）

拉伸實(shí)驗(yàn)是纖維材料最基本的力學(xué)性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，高強(qiáng)度纖維板材的制備需要使用專業(yè)的拉伸設(shè)備來實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的有序排列，并且保證每束纖維上的張力一致，使得產(chǎn)品應(yīng)力均勻、性能穩(wěn)定。纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料，通常是使用短切纖維和樹脂材料混合，通過擠出、注塑、滾壓或采用浸漬、液體傳遞模塑等方法制備得到相應(yīng)的產(chǎn)品。其優(yōu)勢(shì)在于比強(qiáng)度和比模量比較高、材料的力學(xué)性能具備可設(shè)計(jì)性、抗腐蝕與耐久性比較好，通常用于各種建筑橋梁、公路以及軍事領(lǐng)域。通常這種纖維增強(qiáng)材料的基體雜亂無章，需要使用纖維拉伸裝置實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的有序排列。目前國(guó)外針對(duì)單向纖維材料的拉伸試驗(yàn)研究甚多，但是國(guó)內(nèi)對(duì)于纖維增強(qiáng)材料的力學(xué)性能的試驗(yàn)研究尚不充分，作為材料基本力學(xué)性能的拉伸模量和強(qiáng)度，無法直接通過拉伸試驗(yàn)測(cè)得。

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料中增強(qiáng)纖維的有序性，從而提高板材強(qiáng)度，研究人員提出了很多纖維拉伸方法及拉伸裝置，通常分為三大類：

（1）基于壓電的懸臂梁式。此裝置耦合在電光學(xué)顯微鏡上，能實(shí)現(xiàn)原位力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)合定量化的力學(xué)信號(hào)給出納米材料力學(xué)性能的物理圖像。

（2）超聲震動(dòng)拉伸式。此裝置利用超聲震動(dòng)原理對(duì)材料進(jìn)行超聲力學(xué)性能測(cè)試，試驗(yàn)效果好，并且解決了超聲頻率和超聲振幅對(duì)材料斷裂韌性的影響問題。

（3）采用模壓和真空袋壓成型式。此方法把纖維絲束筒安裝于管架上，抽出纖維絲束抽頭，絲束經(jīng)過浸漬槽浸漬樹脂后通過擠壓輥擠壓使得樹脂充分進(jìn)入絲束內(nèi)部，且擠去多余的樹脂，然后將絲束纏繞在纏絲架上，最后固化成型。

以上所述拉伸裝置，從最早期的純機(jī)械形式，發(fā)展為機(jī)械、光學(xué)、電磁學(xué)多種形式融合，其拉伸裝置的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價(jià)成本較高、對(duì)操作人員的技術(shù)要求較高，適用于公司批量生產(chǎn)，能夠提高生產(chǎn)效率，提高生產(chǎn)質(zhì)量。但對(duì)于個(gè)人及實(shí)驗(yàn)室的小批量科研、生產(chǎn)來講，成本過高，操作不便。

基于上述原因，本文設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，適于小批量生產(chǎn)且操作容易的便捷式纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備過程中的拉伸裝置，以解決實(shí)驗(yàn)室以及個(gè)人的生產(chǎn)需要，制備出的纖維板材強(qiáng)度高，韌性好且質(zhì)量?jī)?yōu)。通過結(jié)構(gòu)分析、有限元模擬及優(yōu)化，驗(yàn)證拉伸裝置的合理性。

1 單向拉伸裝置的整體設(shè)計(jì)

1.1 拉伸裝置的基本要求

本設(shè)計(jì)主要針對(duì)浸漬樹脂的單向纖維拉伸裝置，保證纖維材料在拉伸過程中受力均勻，提高單向纖維制品性能的穩(wěn)定性、均勻性，用于固化后制備纖維板材。其具體設(shè)計(jì)要求如下：

（1）整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工容易，操作便捷；

（2）小型輕量化，質(zhì)量小于20 kg，尺寸小于或等于250 mm×200 mm×100 mm；

（3）位移只發(fā)生在水平方向，保證垂直方向無位移；

（4）拉伸精度高，能實(shí)現(xiàn)拉伸寬度的調(diào)整。

1.2 拉伸材料的選取

拉伸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與其材料有著密切的聯(lián)系。拉伸裝置的材料需要在結(jié)構(gòu)合理的情況下，保證較高的強(qiáng)度，滿足設(shè)計(jì)要求。常見的高強(qiáng)度材料有碳鋼、球墨鑄鐵、青銅、合金鋼及鋁合金等。其中碳鋼脆性大不易生產(chǎn)，青銅材料質(zhì)軟易變形，合金鋼價(jià)價(jià)格貴成本高，綜合考慮材料屬性以及價(jià)格成本問題，最終選擇鋁合金作為拉伸裝置的材料。鋁合金的具體性能參數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金材料參數(shù)

鋁合金的型號(hào)不同，其材料特性也有所差異。常用的鋁合金型號(hào)有7075高強(qiáng)度鋁合金和7050高強(qiáng)度鋁合金。這兩種型號(hào)的鋁合金特性基本一樣，但7075高強(qiáng)度鋁合金焊接性能較差，不易加工。因此最終選擇7050高強(qiáng)度鋁合金作為拉伸裝置的首選材料。

1.3 拉伸裝置的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)前面所述的設(shè)計(jì)要求，最終拉伸裝置的結(jié)構(gòu)如圖1所示，其裝置主要結(jié)構(gòu)包括：固定支撐板（設(shè)置有均布的螺紋孔）、拉環(huán)（帶有螺紋方便與支撐板連接，前端有開口度用來纏繞纖維材料）、滑軌（四條）、下加長(zhǎng)板（兩條）、電磁感應(yīng)器、搖桿、上加長(zhǎng)板（兩條）、底座（在底面上設(shè)置一個(gè)滑軌用來使拉體滑動(dòng)）、可移動(dòng)支撐板、拉體（下端有一個(gè)滑塊，與底座滑軌相連）、顯示屏。

圖1 便攜式纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備裝置結(jié)構(gòu)示意圖

為使拉伸裝置更加穩(wěn)定，首先從制造工藝角度，要求底座滑軌表面要盡可能光滑，使其與拉體接觸面的摩擦盡量小，而且裝配以后不會(huì)產(chǎn)生左右位移，確保只在滑軌方向移動(dòng)。其次從安裝角度考慮，要求拉體上的四個(gè)滑軌需限制可移動(dòng)支撐板在滑軌方向移動(dòng)，且在左右方向沒有位移。底座與地面要固定且良好接觸，保證整個(gè)裝置穩(wěn)定的放置在水平面上，在受力的情況下不會(huì)傾斜和移動(dòng)。再次，為了有效減小拉環(huán)對(duì)纖維材料的損壞和容易纏繞和取下纖維材料，拉環(huán)尾端螺紋連接保證拉環(huán)不會(huì)晃動(dòng)，且在拉環(huán)外面包裹一層聚四氟乙烯軟管，且保證軟管與拉環(huán)相對(duì)貼合。最后，不使用本裝置時(shí)，左右加長(zhǎng)板可以收縮節(jié)省空間，使用時(shí)可以拉出來依靠拉環(huán)固定位置。此外，電磁感應(yīng)器為外購(gòu)原件，應(yīng)精確控制它的靈敏度及測(cè)力范圍，保證測(cè)力范圍在纖維材料的受力臨界范圍內(nèi)。

2 單向拉伸裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 底座結(jié)構(gòu)

底座對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)起支撐作用，作為主框架連接整個(gè)結(jié)構(gòu)。如圖2所示，其底部有一個(gè)滑軌且底面保證水平，后側(cè)設(shè)置有帶有螺紋的盲孔，以用來連接搖桿。

圖2 底座結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 拉體結(jié)構(gòu)

拉體結(jié)構(gòu)連接底座與可移動(dòng)支撐板，起到支撐前半部分的拉環(huán)作用，可以與滑軌配合前后移動(dòng)。上面設(shè)置一個(gè)通孔用來穿過電子測(cè)力器的導(dǎo)線，下底面加工精度較高，以保證光滑狀態(tài)減少 摩擦。下端設(shè)計(jì)為倒梯形防止導(dǎo)軌在豎直方向發(fā)生位移，如圖3所示。

圖3 拉體結(jié)構(gòu)示意圖

2.3 滑軌結(jié)構(gòu)

四個(gè)滑軌位置固定在拉體兩側(cè)，可移動(dòng)支撐板裝配在四個(gè)滑軌內(nèi)部，與滑軌保持相對(duì)滑動(dòng)（滑軌理想情況下沒有摩擦），要保證上下和左右對(duì)齊并不存在錯(cuò)位情況，如圖4所示。

圖4 滑軌結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 搖桿結(jié)構(gòu)

搖桿結(jié)構(gòu)為施力裝置，是整體結(jié)構(gòu)的控制點(diǎn)，靠手搖來對(duì)機(jī)構(gòu)施加外力，依靠螺紋傳遞力可精確控制力的大小，螺距為2.25 mm，總長(zhǎng)為110 mm，手柄處加裝橡膠起到防滑和防磨手的作用，如圖5所示。

圖5 搖桿結(jié)構(gòu)示意圖

2.5 固定支撐板結(jié)構(gòu)

固定支撐板結(jié)構(gòu)在整個(gè)結(jié)構(gòu)的后半部分，有十三個(gè)螺紋孔連接后部的拉環(huán)，下端與底座連接兩側(cè)可以加裝加長(zhǎng)板，且固定不動(dòng)，如圖6所示。

圖6 固定支撐板結(jié)構(gòu)示意圖

2.6 可移動(dòng)支撐板

可移動(dòng)支撐板結(jié)構(gòu)與四個(gè)滑軌連接，前端連接電磁感應(yīng)器，同時(shí)固定前部的拉環(huán)，可以前后移動(dòng)。有十三個(gè)螺紋孔連接拉環(huán)，兩側(cè)可以加裝加長(zhǎng)板，如圖7所示。

圖7 可移動(dòng)支撐板結(jié)構(gòu)示意圖

2.7 單向拉伸裝置的安裝和操作

本單向增強(qiáng)纖維拉伸裝置安裝方便，操作簡(jiǎn)單，結(jié)合圖1所示裝配圖，可按照如下所示步驟進(jìn)行安裝和操作：

（1）底座固定在適宜的位置，將拉體按照設(shè)計(jì)的位置安裝；

（2）將可移動(dòng)支撐板和電磁感應(yīng)器安裝在拉體上；

（3）將增強(qiáng)纖維在配好的樹脂液中完全浸漬，瀝出多余的樹脂；

（4）將步驟（3）中處理完成的纖維固定在固定支撐板最外側(cè)的拉環(huán)上，然后依次纏繞；

（5）根據(jù)纏繞的纖維數(shù)量及纖維傾斜角度計(jì)算整個(gè)裝置需要施加的載荷，對(duì)搖桿施加旋轉(zhuǎn)的力，固定，然后進(jìn)行預(yù)固化處理；

（6）將步驟（5）中已經(jīng)預(yù)固化的纖維取下，并盡快按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行固化，制備得到單向纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。

3 剛度強(qiáng)度有限元分析

由于便捷式纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制備裝置在對(duì)復(fù)合纖維進(jìn)行拉伸過程中，其組成部件同樣受到拉伸應(yīng)力，在此采用ANSYS進(jìn)行有限元分析，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的正確性。該裝置在使用過程中，主要受力部件為支撐板，因此在有限元仿真模擬過程中，在對(duì)裝置的整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化后，重點(diǎn)對(duì)支撐板的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。

將該裝置簡(jiǎn)化后的三維模型導(dǎo)入ANSYS，定義材料屬性。根據(jù)該裝置的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，分別使用殼單元和實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，以殼單元為主，根據(jù)三維模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用自由劃分、映射劃分和掃掠劃分相結(jié)合的方法進(jìn)行劃分。根據(jù)該裝置使用過程中的運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)，約束模型的自由度，將載荷換算為面載荷施加到受力部位，最后求解。查看并分析結(jié)果，重點(diǎn)查看本裝置的位移及等效應(yīng)力等值線圖等靜力分析結(jié)果。

3.1 支撐板的有限元分析

由于本裝置在工作過程中，主要受力點(diǎn)在支撐板（其厚度為5 mm），因此對(duì)支撐板作單獨(dú)的分析。對(duì)支撐板網(wǎng)格進(jìn)行自由劃分，網(wǎng)格數(shù)為74 669個(gè)。將支撐板的下地面中間一部分定義約束，設(shè)置為所有方向，施加0.02 MPa的載荷。網(wǎng)格劃分圖和加載后的模型如圖8所示。

圖8 網(wǎng)格劃分及約束加載模型

最終的結(jié)果如圖9所示，可見變形主要發(fā)生在板的下側(cè)。由于變形量極小，最大約為0.069 mm，所以變形可以忽略；最大等效應(yīng)力約為115.4 MPa。

圖9 支撐板的分析結(jié)果

3.2 整體結(jié)構(gòu)的仿真分析

圖10 網(wǎng)格劃分與約束加載模型

其分析結(jié)果如圖11所示，由結(jié)果可知，變形主要發(fā)生在板的兩側(cè)，且變形量極小，最大變形量為0.091 328 mm，所以變形可以忽略。應(yīng)力主要集中在移動(dòng)支撐板上，最大等效應(yīng)力為181.66 MPa。

圖11 簡(jiǎn)化模型分析結(jié)果

由以上仿真分析結(jié)果可知，支撐板和整體簡(jiǎn)化模型的變形量都很小，支撐板最大變形為0.069 mm，整體模型的最大變形為0.091 328 mm，在允許范圍內(nèi)；本裝置選用鋁合金材料，其最大許用應(yīng)力為505 MPa，分析結(jié)果顯示，支撐板等效應(yīng)力最大為115.4 MPa，整體模型等效應(yīng)力最大為181.66 MPa，均小于鋁合金材料的許用應(yīng)力，強(qiáng)度能夠滿足需要。

4 結(jié)論

為了方便分析計(jì)算，對(duì)整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化，并對(duì)簡(jiǎn)化模型進(jìn)行分析計(jì)算。對(duì)模型進(jìn)行自由劃分，網(wǎng)格數(shù)為98 813個(gè)。底座固定在水平面上，因此選擇下底面定義約束，并約束所有方向。施加載荷的大小為1 000 N，有限元模型如圖10所示。

（1）針對(duì)現(xiàn)有纖維拉伸裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制造成本高的缺點(diǎn)，并確保在纖維拉伸過程中，精確控制每束纖維上的張力，保證纖維制品的性能，設(shè)計(jì)了一款結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的單向纖維拉伸裝置。

（2）該單向纖維拉伸裝置可以保證拉伸移動(dòng)軌跡的精確性，可自由伸縮，既能增加材料拉伸的工作寬度，又可以收縮，使尺寸更小。

（3）在SolidWorks軟件中建立其三維模型，然后在有限元分析軟件ANSYS中進(jìn)行剛度、強(qiáng)度的仿真分析，結(jié)果表明，剛度和強(qiáng)度均滿足要求。