緯編雙軸向復合材料殼體回彈變形的時間效應研究

李佳楠 姜亞明 楊晨

摘 要：在緯編雙軸向復合材料成形過程中，受材料自身性能和工藝條件的影響，會不可避免地出現(xiàn)殘余應力及固化變形，從而降低制件的成形精度。在制件的服役期間殘余應力的緩慢釋放會持續(xù)影響著產品的尺寸精度。本文針對緯編雙軸向復合材料頭盔殼體的回彈變形與時間效應關聯(lián)問題展開了系統(tǒng)性研究，通過熱氧老化來加速實現(xiàn)在服役過程中制件內部殘余應力的等效釋放，并采用激光掃描技術對元件級到構件級的試樣的回彈變形進行表征，刻畫制件回彈變形隨時間增加的變化情況。結果表明，在制件脫模后的初期，回彈變形量變化明顯，隨著時間的增加，變形量的增加逐漸放緩，且元件級試樣與構件級試樣的回彈變形趨勢完全一致，本研究可為產品的優(yōu)化設計提供可靠依據(jù)。

關鍵詞：緯編雙軸向復合材料； 殘余應力； 回彈變形； 熱氧老化； 變剛度

中圖分類號：TB332 文獻標識碼：A DOI：10.19452/j.issn1007-5453.2023.07.011

基金項目： 航空科學基金（201829Q2002）；天津市自然科學基金（18JCZDJC10020）

隨著樹脂基復合材料在先進裝備上的用量的提高，并逐漸在主承力結構中得到應用，傳統(tǒng)的單向層合結構纖維增強樹脂基復合材料的層間強度低，抗分層、抗沖擊能力差等問題逐漸暴露[1-3]。緯編雙軸向復合材料的出現(xiàn)則為上述問題提供了良好的解決方案。緯編雙軸向織物的襯紗在層內平行排列，層間由捆綁紗進行連接，在使其紗線的利用率得到最大保障的同時，也為織物提供了優(yōu)異的成形性，還提高了緯編雙軸向復合材料的層間剪切強度，減少了分層現(xiàn)象[4-5]。因此，緯編雙軸向織物被廣泛應用于具有復雜曲面的復合材料制件中，如航空航天、軌道交通和個體防護裝備[6-7]。

然而，在纖維增強樹脂基復合材料的加工過程中，受熱變形各向異性、化學收縮，以及模具—結構相互作用等因素的影響，制件內部會不可避免地產生殘余應力，導致成形完成后其外形通常與模具形狀間存在差異，發(fā)生固化變形[8-10]?；谀壳暗难芯拷Y果，纖維增強樹脂基復合材料的熱氧老化機制主要為高溫老化和材料氧化導致復合材料性能降解，高溫和氧化兩種老化機制并不是單獨作用的，而是相互耦合的材料在長時間的作用力下產生基體開裂、分層、界面脫黏等退化行為，對性能造成影響。通常，平板制件產生翹曲變形，含曲率構件產生回彈變形。殘余應力的釋放并不會在制件脫模后瞬間完成，而是在脫模后的較長時間內緩慢釋放。在服役期間的復合材料構件殘余應力的釋放，不僅會導致裝配應力的產生從而影響結構強度，還會使構件發(fā)生回彈變形從而影響尺寸精度[11-12]。

而日常生活中的熱氧老化時間漫長，通常要數(shù)年之久，研究跨度漫長且費時費力。因此，為了使復合材料構件在長期服役過程中所暴露的問題能夠在短期內進行表征，學者們主要采用加速老化的方法來實現(xiàn)這一過程。

J. C. Grandidier[13]等創(chuàng)建了一種基于“反應—擴散”模型的新型數(shù)學模擬的計算方式，研究計算了改變氧氣濃度的大小對樹脂老化的影響。試驗結果表明，氧氣的氣壓能夠使聚合物熱氧老化的速度加快。K. Moraczewski[14] 等利用天然植物提取物改性聚乳酸并研究了加速老化后復合材料的老化性能，結果表明，與加速老化后的商業(yè)化抗氧劑丁基羥基甲苯改性的聚乳酸相比，老化后的聚乳酸/天然植物提取物復合材料的拉伸強度和沖擊強度下降較小。而目前的研究中并沒有對紡織復合材料服役期間回彈變形的逐步遞增進行定量化研究。

綜上所述，本研究以高性能復合材料頭盔殼體為應用背景，針對制件服役期間殘余應力逐漸釋放導致回彈變形的問題，采用元件級制件到構件級制件的研究路線，通過加速老化的方式實現(xiàn)回彈變形的快速釋放，借助激光掃描儀對制件回彈變形趨勢進行了表征，旨在探索元件級制件對構件級制件回彈變形趨勢表征的正確性，為縮短產品驗證周期和產品優(yōu)化設計提供試驗依據(jù)。

1 試驗部分

1.1 試樣制備

為了系統(tǒng)性地研究復合材料頭盔殼體的回彈變形與時間關聯(lián)情況，本文首先對其元件級試樣——半球殼體的回彈變形開展研究。因為半球成形后的預制體局部纖維取向和體積含量均發(fā)生了變化，所以同一結構預制體制備的半球形復合材料面內會呈現(xiàn)變剛度的現(xiàn)象，該現(xiàn)象也符合實際生產過程中的真實情況，因此復合材料半球形構件也常被用作元件級試樣，通過對其進行試驗和仿真分析為復合材料的結構設計和工藝優(yōu)化提供依據(jù)。本研究采用芳綸緯編雙軸向織物為增強體，紗線規(guī)格為Kevlar-49。MBWK織物由天津工業(yè)大學復合材料研究所提供，結構與規(guī)格分別如圖1和表1所示。乙烯基酯樹脂為基體，型號為R-806。

利用氣囊袋壓成形工藝制備半球殼體，制備過程如圖2所示。采用真空袋保證真空條件，樹脂從預制體兩端進入，充分浸潤后多余樹脂從真空泵一端軟管流出。

半球成形的具體操作工藝為：

（1） MBWK織物裁剪規(guī)格為320mm×320mm，脫模布規(guī)格分別為兩塊280mm×160mm、一塊270mm×150mm，并去除邊緣毛絲，導流網(wǎng)裁剪后規(guī)格均為170mm ×180mm，真空袋裁剪規(guī)格為400mm×400mm，裁剪完畢后擺放整齊。

（2） 將半球模具置于平整工作臺上，用丙酮清理干凈，確保模具表面沒有灰塵、油污等雜質。在模具上表面四周邊緣位置貼上密封膠，上表面剩余部分涂抹脫模劑。

（3） 將織物平鋪在模具上，使用小號球體向下壓織物，使織物和模具凹槽部分貼合。然后依次鋪放三塊脫模布，此過程須保證脫模布在球體槽體內平整無起皺，并完全覆蓋織物。再依次鋪放導流網(wǎng)，三塊導流網(wǎng)也須覆蓋住織物，以此來保證樹脂能夠均勻地浸潤織物，最后在模具上表面對角位置放置注膠座，一側作為樹脂入口，另一側作為抽氣口，然后進行真空袋封邊。

（4） 在止回閥的兩端接口纏上密封膠，正面連接硅膠軟管，反面透過真空袋插入注膠座中，在轉接頭的兩端纏繞密封膠，正面連接硅膠軟管，反面透過真空袋插入注膠座。隨后止回閥端的硅膠軟管連接錐形瓶和真空泵，使用止流鉗夾住轉接頭端的硅膠管，抽真空，檢查氣密性。保壓3～ 5min，如果氣密性完好，進行下一步；如果出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，應檢查真空袋同模具的密封情況，待密封完好后進行下一步。

（5） 通過轉接頭一端注入樹脂，等待樹脂充分浸潤織物，灌注完畢后將硅膠軟管兩端用止流鉗封閉，等待固化。

（6） 固化完畢后等模具完全冷卻后取出制作好的半球體復合材料，檢查表面是否存在缺陷。

薄殼體復合材料的成形是一體成形，工藝流程分為準備、鋪層、密封、灌注、固化和后處理6個步驟。

1.2 加速老化試驗方法

為了探討緯編雙軸向殼體復合材料變形隨時間變化的規(guī)律，本文進行了加速熱氧老化試驗，旨在加速釋放脫模后仍儲存在復合材料內部的殘余應力[15]。研究中熱氧老化試驗在烘箱中進行，采用高溫加速壽命試驗模型——阿倫尼斯（Arrhenius）模型進行老化溫度設定。

則在加速條件下，實驗室高溫環(huán)境中短時間內的老化效果可以相當于自然環(huán)境下長時間的累積效果。

老化溫度直接影響人工加速熱氧老化試驗結果，以天津市全年平均溫度15℃為對照，按照復合材料產品一般儲存期三年為研究時間。在此時間段內選擇6個時間點，分別為1M（月）、7M、13M、20M、27M、36M，根據(jù)式（1）計算，當試驗溫度100℃相對于全年平均溫度15℃下的加速系數(shù)為1436.55，則對應的熱氧老化所需時間見表2[16]。

1.3 回彈變形測量

本研究采用HEXAGON三坐標激光掃描儀，對每個階段加速老化后的半球殼體和頭盔殼體的曲面進行掃描，如圖3所示。掃描結束后繼續(xù)加熱直至加熱時間達到6h。掃描結果通過Geomagic軟件進行變形分析。

2 試驗結果與分析

2.1 半球殼體回彈變形與時間相關性分析

半球殼體復合材料在進行熱氧老化試驗之后，將采集到的點云數(shù)據(jù)在Geomagic軟件內進行點云球特征擬合，用以分析試樣的回彈變形情況，其結果如圖4所示。

擬合偏差圖中經(jīng)緯紗取向與視圖中預制體經(jīng)緯紗鋪覆取向一致。可以看出，隨著老化時間的延長，半球體復合材料的回彈變形量最大值在不斷增大。變形趨勢為：沿襯經(jīng)紗方向發(fā)生外凸變形，沿襯緯紗方向發(fā)生內凹變形。這兩個方向上剪切角分布的梯度曲線較為集中，局部纖維體積含量變化較大，變剛度現(xiàn)象明顯，因此殘余應力在釋放時在此區(qū)域內產生了較大的面外變形。受自由邊界效應的影響，邊緣區(qū)域變形量大于頂部區(qū)域的變形量。

根據(jù)半球體復合材料曲面上剪切角區(qū)域分布圖可以看出，沿不同方向剪切角的差異很大。在0°方向上制件邊緣局域，剪切角分布的梯度曲線間隔較小，剪切角變化較大；沿0°方向到±45°方向內，沿半球構件45°方向，從半球頂點到半球邊緣，纖維取向產生明顯變化；襯經(jīng)紗和襯緯紗取向夾角越來越小，對應的剪切角不斷增加，說明沿著±45°方向剪切變形不斷增加。

將各老化時間節(jié)點下的最大回彈值除以最終階段的最大回彈值并匯總于圖5中?？梢钥闯?，隨著老化時間的增加，回彈變形的最大值也在逐漸增加，在0.5h內回彈變形量增速較大，可以得出在脫模后的一個月內是緯編雙軸向復合材料殼體發(fā)生回彈變形的主要階段，之后的回彈變形增量逐漸減少，變形增速趨緩。

試樣由于內部殘余應力釋放而引起的變形趨勢基本一致，最大翹曲變形產生在半球體復合材料的0°方向，這個方向上剪切角分布的梯度曲線較為集中，局部纖維體積含量變化較大，樹脂體積含量隨之改變，因此殘余應力在釋放時在此區(qū)域內產生了較大的面外變形。半球體的直徑為15cm，由于尺寸效應，翹曲變形表現(xiàn)并不明顯，因此作為一種猜想需要在3D薄殼體復合材料上進行驗證。

2.2 頭盔殼體回彈變形與時間相關性分析

采用與半球殼體相同的加速老化試驗方案，對熱氧老化處理后的頭盔殼體進行激光掃描，采集得到的點云數(shù)據(jù)通過Geomagic軟件進行偏差分析，將各個階段的偏差分析結果匯總于圖6中。可以看出，頭盔殼體的回彈變形趨勢與半球殼體近似，即沿著襯經(jīng)紗方向發(fā)生“外凸”變形，沿襯緯紗方向發(fā)生“內凹”變形?；貜椬冃瘟孔畲髤^(qū)域同樣位于剪切角分布梯度線較密集區(qū)，且回彈變形主要發(fā)生在邊緣區(qū)域。3D薄殼體復合材料的最大偏差值隨著老化時間的延長也在增大，這與半球體復合材料的變形趨勢一致。

將各老化階段頭盔殼體最大回彈值占比匯總于圖7中，可以看出，老化0.5h之后，回彈變形最大值急劇增加，之后隨著老化時間的增加，回彈變形量增速逐漸降低。這說明緯編雙軸向復合材料頭盔殼體在脫模后的前一個月回彈變形最為明顯。

3D薄殼體復合材料變形最大的區(qū)域集中在雙側約束較小的自由端，對稱軸的兩端區(qū)域也產生了明顯的變形，對比3D薄殼體復合材料剪切角分布區(qū)域圖可以發(fā)現(xiàn)，這4個區(qū)域內剪切角分布的梯度曲線較為集中，剪切角變化較大，纖維體積含量不勻導致材料局部剛度不一，因此在殘余應力釋放的過程中，產生的拉彎耦合所形成的彎矩導致了面外變形。由于3D薄殼體復合材料結構，兩側自由端受到的約束力較小，因此在點云數(shù)據(jù)擬合的結果中顯示偏差值最大。

3 結論

本文圍繞緯編雙軸向復合材料頭盔殼體回彈變形與時間效應關聯(lián)問題，通過加速老化試驗，開展了從元件級到構件級的研究，主要結論如下：

（1）緯編雙軸向復合材料半球和頭盔殼體回彈變形趨勢為，沿襯經(jīng)紗方向發(fā)生“外凸”變形，沿襯緯紗方向發(fā)生“內凹”變形，受自由邊緣效應影響，邊緣區(qū)域回彈變形量大于殼體中心區(qū)域的回彈變形量。

（2）通過加速老化試驗來實現(xiàn)復合材料殘余應力的釋放，從其對復合材料殼體各個階段的回彈最大變形量的結果可以看出，制件的回彈變形主要發(fā)生在脫模后的第一個月內，之后隨著時間的增強，回彈變形量增量減少，增速逐漸趨緩。

以上試驗結果表明，通過對緯編雙軸向復合材料半球殼體這一元件級制件的研究，對考慮變剛度的含復雜曲面的構件級試樣殘余應力和回彈變形的研究具有重要指導意義。

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Study on Time Effect of Spring-back Deformation of Weft Knitted Biaxial Composites Shell

Li Jianan， Jiang Yaming， Yang Chen

Tiangong University， Tianjin 300387， China

Abstract： In the forming process of weft knitted biaxial composites， due to the influence of the material’s own properties and process conditions， residual stress and curing deformation will inevitably occur， which will reduce the forming accuracy of the parts. Moreover， the slow release of residual stress during the service of the parts will continue to affect the dimensional accuracy of the product. In this paper， the relationship between the spring-back deformation and time effect of the biaxial weft knitted composite helmet shell is systematically studied. The equivalent release of the internal residual stress of the component during service is accelerated by thermal oxygen aging. The spring-back deformation of the sample from the specimen level to the component level is characterized by laser scanning technology， and the change of the spring-back deformation of the parts with the increase of time is depicted. The results show that the spring-back deformation changes obviously at the initial stage after the demoulding of the parts， and the increase of the deformation gradually slows down with the increase of time， and the spring-back deformation trend of the specimen level sample and the component level sample is completely consistent. This study can provide a reliable basis for the optimization design of biaxial weft composite products.

Key Words： weft knitted biaxial composites； residual stress； spring-back deformation； thermal oxygen aging； variable-stiffness