不同鋪層方式的復(fù)合材料層合板彎曲性能的研究

黃泳鏵，薛嘉豪，吳漣漪，朱梓睿，柯志鵬

廣州城市理工學(xué)院汽車與交通工程學(xué)院，廣東廣州 510800

0 引言

近年來(lái)，碳纖維復(fù)合材料在節(jié)能車競(jìng)賽中的應(yīng)用十分常見(jiàn)。由于其可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際需要，通過(guò)設(shè)置碳纖維所占比例、鋪放角度及鋪放順序等進(jìn)而改變碳纖維復(fù)合材料的整體性能參數(shù)，且為減少兩種定向?qū)拥倪吘壔蜷_(kāi)裂分層，同一種鋪設(shè)角的集中鋪設(shè)一般不宜超過(guò)4層[1]。隨著碳纖維復(fù)合材料的制造工藝向制造方便、批量生產(chǎn)、減少能源損耗等趨勢(shì)發(fā)展，碳纖維復(fù)合材料的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越廣泛。碳纖維復(fù)合成型的工藝主要包括濕法鋪層成型法、纏繞成型法、真空熱壓罐法以及真空導(dǎo)入樹(shù)脂法等。

本文以碳纖維纏繞復(fù)合材料夾層結(jié)構(gòu)膠接制作的電動(dòng)節(jié)能賽車車架為研究對(duì)象，目的是通過(guò)在原有車架上纏繞碳纖維布的方式，實(shí)現(xiàn)提高車架整體穩(wěn)定性的同時(shí)也可以達(dá)到減重的效果。在設(shè)計(jì)碳纖維層合板的基礎(chǔ)上，研究了不同鋪層角度和鋪層層數(shù)對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板的彎曲性能影響。

1 碳纖維層合板的設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方法及材料選擇

在層合板的設(shè)計(jì)中主要考慮了鋪層順序、鋪層角度以及各種鋪層角的比例。按照纖維在基體中的分布形式，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料分為單層板和層合板。單層板是指鋪層的纖維朝一個(gè)方向排列或鋪層的纖維雙向交織排列，層合板是單層板以規(guī)定的纖維方向和次序，以疊層的形式進(jìn)行鋪放后黏合，再經(jīng)過(guò)加熱固化處理而成[2]。為了避免固化后因剪拉耦合或拉彎耦合引起層合板變形，層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成均衡對(duì)稱層合板形式[1]。

層合板選用T700碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂制備。碳纖維T700材料性能見(jiàn)表1。

表1 碳纖維T700材料性能

1.2 鋪層布置方式

本文采用±45°、0°和90°的鋪層角度，且鋪層單層厚度為0.46 mm，碳纖維不同鋪層布置方式見(jiàn)表2。制備成型后的試件根據(jù)試驗(yàn)要求切割為尺寸為80 mm×10 mm的標(biāo)準(zhǔn)試件。碳纖維層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

表2 碳纖維不同鋪層布置方式

圖1 碳纖維層合板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2 層合板仿真分析

仿真計(jì)算方法采取中尺度分析方法，運(yùn)用ANSYS Composite Prep/Post復(fù)合材料分析模塊創(chuàng)建復(fù)合材料層合板的有限元模型[3-4]。設(shè)置好材料屬性，網(wǎng)格采用四邊形網(wǎng)格劃分并設(shè)置2 mm的網(wǎng)格尺寸，在層合板短邊兩側(cè)添加固定約束，施加彎曲載荷300 N，得到其變形量云圖、應(yīng)力云圖以及失效云圖，接下來(lái)對(duì)層合板彎曲性能進(jìn)行分析。

碳纖維T700層合板變形量云圖如圖2所示，變形量主要集中產(chǎn)生于層合板中心處且向兩邊減小，中心處結(jié)構(gòu)易變形。從云圖可以看出，在原有基礎(chǔ)上增加鋪層層數(shù)可以提高層合板抗彎曲變形能力。碳纖維T700層合板應(yīng)力云圖如圖3所示,應(yīng)力集中于層合板短邊邊緣兩側(cè)。從應(yīng)力云圖結(jié)果得出，增加0°/90°正交鋪層可以提高層合板的受壓穩(wěn)定性即承受所施加載荷的表現(xiàn)能力更優(yōu)。碳纖維T700層合板失效云圖如圖4所示。對(duì)復(fù)合材料層合板的 Tsai-Wu失效系數(shù)進(jìn)行計(jì)算,當(dāng)該系數(shù)小于1時(shí)材料狀態(tài)安全[5-6]。通過(guò)失效云圖可以得出，在層合板中心處及左右兩側(cè)處失效風(fēng)險(xiǎn)更高。由失效云圖結(jié)果可以看到，增加層數(shù)和增加0°/90°正交鋪層可以使Tsai-Wu失效系數(shù)最大值減小，使層合板不會(huì)發(fā)生失效，運(yùn)用到實(shí)際的電動(dòng)節(jié)能賽車車架優(yōu)化設(shè)計(jì)上有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

圖2 碳纖維T700層合板變形量云圖

圖3 碳纖維T700層合板應(yīng)力云圖

圖4 碳纖維T700層合板失效云圖

3 試驗(yàn)部分

3.1 碳纖維層合板制備

該碳纖維復(fù)合材料層合板為T700碳纖維/環(huán)氧樹(shù)脂真空導(dǎo)入壓成型制作而成，如圖5所示。真空導(dǎo)入樹(shù)脂成型是在真空下通過(guò)樹(shù)脂的流動(dòng)及滲透將體系中的多余空氣排出，以實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維布的浸漬，通過(guò)固化的熱固性樹(shù)脂讓鋪設(shè)后的多層碳纖維布結(jié)合為一體。

具體制備過(guò)程為：

(1)根據(jù)設(shè)計(jì)試件尺寸預(yù)先在工作臺(tái)面上用密封膠帶布置，底面涂抹化學(xué)脫模劑，將裁剪好的碳纖維布鋪設(shè)在工作面上，相互兩層間噴涂少量碳纖維定型噴膠；

(2)在鋪設(shè)好的碳纖維布上鋪設(shè)脫模布，下一層鋪設(shè)導(dǎo)流網(wǎng)以促進(jìn)樹(shù)脂流動(dòng)；

(3)裁剪尺寸比設(shè)計(jì)試件大的真空袋以便在真空袋上做褶皺，將其鋪設(shè)在表面并用密封膠帶進(jìn)行固定，兩側(cè)擺放插入PVC真空軟管，用密封膠帶將真空軟管固定；

(4)抽出體系中的真空形成負(fù)壓并檢查是否有漏氣的聲音，以4∶1的比例對(duì)環(huán)氧樹(shù)脂與環(huán)氧樹(shù)脂固化劑進(jìn)行調(diào)配，最后進(jìn)行樹(shù)脂導(dǎo)流，室溫靜置固化24 h后脫模得到碳纖維復(fù)合材料層合板。

圖5 碳纖維層合板制備示意

3.2 試驗(yàn)設(shè)備及設(shè)計(jì)方案

選用SANS微機(jī)控制電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)碳纖維復(fù)合材料層合板開(kāi)展3點(diǎn)彎曲試驗(yàn)，該試驗(yàn)適用于兩端自由支撐、中央加荷的測(cè)試。試驗(yàn)儀器可以用于金屬和非金屬(其中包括復(fù)合材料)的拉伸、彎曲、壓縮等有關(guān)靜力學(xué)性能測(cè)試，并通過(guò)試驗(yàn)機(jī)所連接的后處理軟件自動(dòng)對(duì)試驗(yàn)過(guò)程記錄及試驗(yàn)曲線的動(dòng)態(tài)顯示和數(shù)據(jù)后處理。為準(zhǔn)確獲取碳纖維復(fù)合材料層合板的彎曲性能，試驗(yàn)對(duì)照GB/T 9341—2000《塑料彎曲性能試驗(yàn)》的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)層合板進(jìn)行測(cè)試，如圖6所示。層合板試件居中放置，其兩端與支座中心線等距[7]，試驗(yàn)前對(duì)試樣的尺寸進(jìn)行設(shè)置并將位移值調(diào)為0。試驗(yàn)機(jī)用位移控制模式進(jìn)行加載，加載速率選擇2 mm/min。

圖6 層合板彎曲試驗(yàn)裝置

3.3 試驗(yàn)計(jì)算方法

3.3.1 彎曲彈性模量Ef的計(jì)算

在材料的彈性范圍內(nèi)，彎曲彈性模量是指彎曲應(yīng)力和彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變的比值。計(jì)算公式為：

(1)

式中：Δσ為兩個(gè)應(yīng)變點(diǎn)間的彎曲應(yīng)力之差,MPa;Δε為兩個(gè)應(yīng)變點(diǎn)間的應(yīng)變之差。

3.3.2 彎曲應(yīng)力σ的計(jì)算

(2)

式中：p為試驗(yàn)施加的載荷，N；L為跨度，mm；b為樣件的寬度，mm;h為樣件的厚度，mm。

計(jì)算通過(guò)試件斷裂前的極限載荷值得到彎曲強(qiáng)度值。

3.4 層合板彎曲試驗(yàn)及結(jié)果分析

通過(guò)層合板彎曲試驗(yàn)可獲取層合板的載荷-位移曲線關(guān)系、彎曲模量及其彎曲強(qiáng)度[8]，基于該試驗(yàn)的結(jié)果比較不同鋪層方式層合板的彎曲模量和彎曲強(qiáng)度。T700層合板的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。圖中第1組表示[(±45)/(±45)/(±45)]2試樣，第2組表示[(±45)/(±45)]2s試樣，第3組表示[(±45)/(±45)/(0，90)/(0，90)]s試樣。

圖7 T700層合板的力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

由圖7a可知，分析得第1組層合板的彎曲模量較其他兩組層合板的彎曲模量明顯較大，第3組層合板的彎曲模量對(duì)比第2組相差1 157 MPa。由圖7b可知,第2組層合板的彎曲強(qiáng)度與第3組層合板的彎曲強(qiáng)度相差較小。對(duì)比第1組，后兩組的層合板彎曲強(qiáng)度是第1組層合板彎曲強(qiáng)度的兩倍。通過(guò)力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析得出，增加鋪層層數(shù)，可提高層合板的彎曲強(qiáng)度；在鋪設(shè)一定數(shù)量的45°鋪層的基礎(chǔ)上增加0°/90°正交鋪層能使層合板軸向、橫向的強(qiáng)度和剛度有所提高。

通過(guò)試驗(yàn)機(jī)的軟件后處理功能對(duì)碳纖維層合板進(jìn)行彎曲力學(xué)試驗(yàn)研究后的載荷-位移曲線關(guān)系圖像采集，3組層合板的力學(xué)彎曲試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 3組層合板的力學(xué)彎曲試驗(yàn)結(jié)果

由圖8可知，載荷與應(yīng)變呈線性關(guān)系，且隨著載荷的增加達(dá)到最大彎曲應(yīng)力，層合板基體發(fā)生斷裂。3組層合板斷裂彎曲應(yīng)力分別為60.64、210.22、211.13 MPa。由圖8還可以看出，試樣在承受同樣的彎曲載荷下，增加0°/90°鋪層設(shè)計(jì)的試樣變形位移量較小，因此在鋪設(shè)一定數(shù)量的±45°鋪層的基礎(chǔ)上，增加0°/90°正交鋪層可提高層合板的靜承載強(qiáng)度。

將力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，對(duì)車架變形較大的位置可通過(guò)增加鋪層層數(shù)或增加0°/90°的正交鋪層的方式來(lái)提高車架整體的穩(wěn)定性，減小失效的風(fēng)險(xiǎn)，面對(duì)車輛行駛過(guò)程中不同工況可提高車體剛性。實(shí)際應(yīng)用中0°和90°的鋪層方向可用于平板類的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，增加0°/90°的正交鋪層，可以對(duì)車架彎曲應(yīng)力及彎曲應(yīng)變較大的區(qū)域進(jìn)行加固；±45°的鋪層方向一般具有較高抗剪強(qiáng)度和剛度，可應(yīng)用于車架工字形的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)試驗(yàn)分析，在允許的誤差范圍內(nèi)，對(duì)比層合板仿真分析數(shù)據(jù)與彎曲力學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與仿真分析結(jié)果具有一致的規(guī)律，證明仿真分析結(jié)果較合理。

(2)結(jié)合有限元仿真分析軟件與彎曲力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果分析，在鋪設(shè)一定數(shù)量的±45°鋪層的基礎(chǔ)上，增加0°/90°正交鋪層可提高層合板受壓穩(wěn)定性，使層合板的靜承載強(qiáng)度更大；增加鋪層層數(shù)，可提高層合板的彎曲強(qiáng)度。對(duì)碳纖維纏繞電動(dòng)節(jié)能賽車車架，增強(qiáng)整體穩(wěn)定性及達(dá)到減重效果有一定實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。