復(fù)合材料板簧選材及力學(xué)性能分析報(bào)告

1、 復(fù)合材料板簧選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與力學(xué)性能分析報(bào)告一·復(fù)合材料板簧選材1.1概述復(fù)合材料是指由兩種或者兩種以上的不同形態(tài)或者不同性質(zhì)的材料按照一定的復(fù)合工藝組合形成的一種結(jié)構(gòu)物。復(fù)合材料既具備原材料的特點(diǎn)又有原材料沒有的性能,所以不能把復(fù)合材料看做組分材料的簡(jiǎn)單相加1。復(fù)合材料中的連續(xù)相叫做基體,而分散相叫做增強(qiáng)材料。增強(qiáng)材料以獨(dú)立的形態(tài)分布于基體當(dāng)中?；w的主要作用是承載增強(qiáng)材料,防止增強(qiáng)材料遭受腐燭和物理?yè)p傷。增強(qiáng)材料除了提高復(fù)合材料基體的力學(xué)性能外,還能提高熱變形溫度,使復(fù)合材料在磁、電、熱方面具有新功能2。1.2原材料的選擇原則在滿足結(jié)構(gòu)使用性能要求的條件下，要盡可能地降低成本；

2、材料的力學(xué)性能要滿足結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性要求；材料的耐環(huán)境性能可使結(jié)構(gòu)在使用環(huán)境條件下正常工作，并滿足結(jié)構(gòu)的壽命要求；所選材料體系適合于擬采用的成型工藝，且在預(yù)浸料制備、固話成型、機(jī)械加工裝配和修補(bǔ)等方面具有良好的工藝性；對(duì)所選材料體系有深入了解，盡可能地選用已定型的、批量生產(chǎn)的、質(zhì)量穩(wěn)定的原材料；貨源充足，容易運(yùn)輸、儲(chǔ)存，安全性好；材料應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的特殊性能要求，如雷達(dá)罩要求有透波性，客機(jī)的內(nèi)裝飾件要求阻燃性等。1.3基體材料的選擇 選擇原則應(yīng)滿足結(jié)構(gòu)的使用溫度范圍要求。應(yīng)滿足基體的力學(xué)性能要求樹脂的物理、化學(xué)性能應(yīng)滿足于結(jié)構(gòu)的使用要求滿足工藝性要求低毒性、低刺激性，價(jià)格合理考慮到汽車板簧

3、的工作特點(diǎn)，復(fù)合材料板簧的基體材料應(yīng)具有長(zhǎng)期在靜載和動(dòng)載下的承載能力 （耐蠕變和抗疲勞性）、吸收沖擊性能（韌性）及一定的耐熱性。此外，復(fù)合材料板簧中的增強(qiáng)材料的設(shè)計(jì)為長(zhǎng)度方向的縱向分布，其厚度與寬度方向的層間剪切強(qiáng)度僅依靠基體材料來提供，因此基體材料層間剪切強(qiáng)度的控制也尤為重要。目前，制造復(fù)合材料板彈簧的樹脂基體主要有環(huán)氧樹脂及聚氨酯這兩類。環(huán)氧樹脂是分子中含有兩個(gè)或兩個(gè)以上環(huán)氧基團(tuán)的一類高分子化合物，實(shí)際上是含有不同聚合度分子的混合物，其性能除了與合成條件有關(guān)外，主要取決于分子結(jié)構(gòu)。環(huán)氧樹脂具有良好的機(jī)械性能與層間剪切強(qiáng)度、較低的固化收縮率及優(yōu)良的工藝性能，且市場(chǎng)供應(yīng)充足，成本較低，是比較理

4、想的基體材料。環(huán)氧樹脂最大的弱點(diǎn)是韌性較差，固化后的環(huán)氧樹脂性脆，耐沖擊性較差，容易開裂。因此需要對(duì)其進(jìn)行改性，以達(dá)到增韌的目的。經(jīng)過調(diào)研，已有企業(yè)利用增韌改性環(huán)氧樹脂生產(chǎn)出了合格的復(fù)合材料板簧樣件。但是，由于企業(yè)能力及環(huán)氧樹脂本身特性所限，復(fù)合材料板簧樣件的生產(chǎn)仍然使用模壓成型工藝，成型周期較長(zhǎng)、效率低，而且復(fù)合材料板簧樣件的性能不穩(wěn)定，不利于復(fù)合材料板簧的產(chǎn)業(yè)化。漢高公司生產(chǎn)的樂泰MAX2是一種聚氨酯基復(fù)合材料基體樹脂，雖然價(jià)格稍高于環(huán)氧樹脂，但其固化速度快于環(huán)氧樹脂。由于粘度較低，浸潤(rùn)性也優(yōu)于環(huán)氧樹脂，可以更高效、更溫和地滲透并浸漬纖維材料，所以注塑時(shí)間更短，有利于復(fù)合材料板簧的大批量生

5、產(chǎn)。在反應(yīng)放熱特征方面，樂泰MAX2的放熱量為268J/g，環(huán)氧樹脂的放熱量為430J/g，這意味著在反應(yīng)過程及固化過程中樂泰MAX2的放熱量更小，降低了局部過熱以及由此導(dǎo)致的收縮等風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于板簧這樣較厚的層合板結(jié)構(gòu)，可明顯減小內(nèi)應(yīng)力的殘留，對(duì)復(fù)合材料板簧的疲勞壽命有利。在機(jī)械性能方面，樂泰MAX2與環(huán)氧樹脂的對(duì)比如表1所示：表1樂泰MAX2與環(huán)氧樹脂機(jī)械性能的對(duì)比牌號(hào)樂泰MAX2環(huán)氧樹脂拉伸模量/MPa280031003400拉伸強(qiáng)度/MPa80 70100彈性伸長(zhǎng)率/%510 36Tg玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度/105120110140臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1c（MPa/m2）1.2 0.50.9從表1可

6、知，樂泰MAX2的機(jī)械性能與環(huán)氧樹脂接近，但聚氨酯本身網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)所決定的韌性及抗沖擊性能明顯優(yōu)于環(huán)氧樹脂，因此，當(dāng)破壞發(fā)生時(shí)，聚氨酯內(nèi)部裂紋的擴(kuò)展速率遠(yuǎn)低于環(huán)氧樹脂，對(duì)復(fù)合材料板簧的疲勞壽命有利。在耐化特性方面，樂泰MAX2的耐化性能與環(huán)氧樹脂相當(dāng)。此外，聚氨酯樹脂能夠與玻璃纖維形成優(yōu)異的界面粘接，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)纖維浸潤(rùn)劑有出色的適用性。綜上所述，樂泰MAX2的綜合性能優(yōu)于環(huán)氧樹脂，且更有利于保證復(fù)合材料板簧的性能及產(chǎn)業(yè)化前景。因此，選用樂泰MAX2作為復(fù)合材料板簧的基體材料。1.4基體材料的力學(xué)性能表2樂泰MAX2（純樹脂基體）的力學(xué)性能參數(shù)參數(shù)值密度/g.cm-31.041.20拉伸模量/GPa2.

7、8拉伸強(qiáng)度/MPa80斷裂伸長(zhǎng)率/%9彎曲模量/GPa2.7彎曲強(qiáng)度/MPa115玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg/115臨界應(yīng)力強(qiáng)度因子K1c（MPa/m2）1.2表3樂泰MAX2與玻纖復(fù)合后的層合板力學(xué)性能參數(shù)參數(shù)值纖維體積含量/%48拉伸模量/GPa28拉伸強(qiáng)度/MPa630彎曲模量/GPa29彎曲強(qiáng)度/MPa960（4層單向排布玻璃纖維，載荷施加于玻纖方向）1.5增強(qiáng)纖維材料的選擇選擇原則若結(jié)構(gòu)要求有高的抗沖擊性能，可選用超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等作為增強(qiáng)材料。若結(jié)構(gòu)要求有良好的透波、吸波性能，則可選用超高分子量聚乙烯纖維、芳綸纖維、無堿玻璃纖維、氧化鋁纖維作為增強(qiáng)材料。若結(jié)構(gòu)要求有

8、高的剛度，則可選用高模量碳纖維或硼纖維。比剛度最低的是玻璃纖維。若結(jié)構(gòu)要求既有較大剛度又有較大強(qiáng)度時(shí)，則可選用比強(qiáng)度和比剛度均交到的碳纖維、硼纖維、超高分子量聚乙烯纖維。若結(jié)構(gòu)要求有高的壓縮強(qiáng)度，則可選用碳纖維、硼纖維、玻璃纖維。若結(jié)構(gòu)要求熱穩(wěn)定性好，則可選用碳纖維、硼纖維、玻璃纖維。除了選用單一纖維，復(fù)合材料還可由多種纖維混合構(gòu)成混雜復(fù)合材料。復(fù)合材料的性能在很大程度上取決于纖維的性能、含量及使用狀態(tài)。目前板簧中的增強(qiáng)材料主要分為 E 玻纖、S 玻纖及碳纖維三種。主要增強(qiáng)纖維的性能如表4所示。 表4主要增強(qiáng)纖維的性能牌號(hào)密度/g.cm-3線脹系數(shù)/10-6K-1彈性模量/GPa拉伸強(qiáng)度/GP

9、a伸長(zhǎng)率/%泊松比比強(qiáng)度/MPa比模量/GPaE玻纖2.555.0743.54.80.21137029S玻纖2.442.95.0844.75.7-197034M玻纖2.895.71103.5-A玻纖2.687.570803.62.00.22-C纖維1.75-2251.741.52.4-990128 玻璃纖維以石英砂、石灰石、白云石、石蠟等組分并配以純堿、硼酸等，有時(shí)為簡(jiǎn)化工藝和獲得預(yù)期的性能還適當(dāng)摻入TiO2、ZrO2、Al2O3等氧化物來制備各種玻璃后，經(jīng)熔融窯熔化拉絲而成。玻璃組成及拉絲工藝對(duì)纖維的性能有較大的影響。玻璃纖維主要特點(diǎn)是不燃、不腐爛、耐熱、拉伸強(qiáng)度高，斷裂伸長(zhǎng)率較小，絕熱性與

10、化學(xué)穩(wěn)定性好，具有良好的電絕緣性及低的熱膨脹系數(shù)，還有高的沖擊強(qiáng)度。玻璃纖維的直徑一般為520，纖維直徑越細(xì)，性能越好。玻璃纖維強(qiáng)度高、綜合性能優(yōu)越，成本低廉，是目前應(yīng)用面最廣，產(chǎn)量最大的一種結(jié)構(gòu)和功能復(fù)合材料的增強(qiáng)劑。E-玻璃纖維也稱無堿玻璃纖維，具有良好的電絕緣性，具有高強(qiáng)度、彈性模量較高、密度低及良好的耐水性能，是當(dāng)代增強(qiáng)高聚物較為理想的增強(qiáng)玻璃纖維。其主要缺陷是在酸、堿介質(zhì)中抗化學(xué)腐蝕性較低，從而限制了它在水泥基體中的應(yīng)用。S-玻璃纖維又稱高強(qiáng)度玻璃纖維，它比E-玻璃纖維的拉伸強(qiáng)度高35%左右，代表性產(chǎn)品為“S-994”。在軍事裝備上應(yīng)用廣泛。雖然S玻纖的力學(xué)性能優(yōu)于E玻纖，然而E玻纖

11、的造價(jià)遠(yuǎn)低于S玻纖。M-玻璃纖維又稱高模量玻璃纖維，一般玻璃纖維強(qiáng)度很高，但模量卻較低，只有鋼的1/3左右，但由于密度比鋼低，所以比模量卻比鋼高得多。它的彈性模量可達(dá)到95GPa，而且拉伸強(qiáng)度也很高，同時(shí)電絕緣性能好。AR-玻璃纖維含有約16%ZrO2，是抗堿玻璃纖維，抗堿性能優(yōu)于普通玻璃纖維。主要用于制造墻板、各種管材等。碳纖維性能雖然優(yōu)于玻璃纖維，但其昂貴的價(jià)格使其應(yīng)用受到了限制。此外，碳纖維具有較低的沖擊強(qiáng)度，而且在與金屬的結(jié)合處可能發(fā)生電化學(xué)腐蝕，可能會(huì)削弱構(gòu)件的強(qiáng)度。綜合比較各主要增強(qiáng)材料的性能、成本及成型工藝，E 玻纖是最具性價(jià)比的選擇。PPG2026玻璃纖維屬于E-玻璃纖維，由美

12、國(guó)PPG工業(yè)公司生產(chǎn)，該公司具有60多年的玻璃纖維工程技術(shù)和制造經(jīng)驗(yàn)，該型號(hào)玻璃纖維也是玻璃纖維行業(yè)的領(lǐng)先產(chǎn)品，能夠增強(qiáng)纖維與樹脂的粘結(jié)力，從而提升復(fù)合材料板簧的疲勞性能，完全能夠滿足復(fù)合材料板簧對(duì)增強(qiáng)纖維力學(xué)性能的要求。因此，采用PPG2026 2400tex玻璃纖維作為復(fù)合材料板簧的增強(qiáng)纖維。1.6增強(qiáng)纖維材料的力學(xué)性能表5 PPG2026 2400tex的力學(xué)性能直徑/µm密度/g.cm-3拉伸模量/GPa拉伸強(qiáng)度/MPa伸長(zhǎng)率/%172.5882.726503.2 二·復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般原則復(fù)合材料結(jié)構(gòu)一般采用按使用載荷設(shè)計(jì)，按設(shè)計(jì)載荷校核的方法。

13、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算用的許用值，分為使用許用值和設(shè)計(jì)許用值，他們分別對(duì)應(yīng)最大使用載荷和設(shè)計(jì)載荷。復(fù)合材料強(qiáng)度準(zhǔn)側(cè)只適用于復(fù)合材料單層，一般采用蔡-吳（Tsai-Wu）張量準(zhǔn)則。復(fù)合材料結(jié)構(gòu)在使用載荷作用下，不允許結(jié)構(gòu)有永久變形。有剛度要求的一般部位，材料彈性常數(shù)的數(shù)值可選取對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的平均值；對(duì)于剛度有嚴(yán)格要求的重要部位，需要選用對(duì)應(yīng)溫度區(qū)間的B基準(zhǔn)值。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的公益性要求鋪層設(shè)計(jì)要考慮公益性問題。結(jié)構(gòu)零件的拐角應(yīng)有較大的圓角半徑，避免在拐角處出現(xiàn)纖維斷裂、富膠。纖維架橋等缺陷。對(duì)于外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，在外形變化區(qū)采用光滑過度，用織物代替無緯布。結(jié)構(gòu)的表面質(zhì)量要求較高時(shí)，應(yīng)使該表面為貼膜面。復(fù)

14、合材料構(gòu)件的壁厚一般應(yīng)控制在7.5mm以下。對(duì)于壁厚大于7.5mm的構(gòu)件，除了必須采用工藝措施保證質(zhì)量外，設(shè)計(jì)時(shí)適當(dāng)降低力學(xué)性能參數(shù)。為保證連接區(qū)的鉆孔質(zhì)量，在孔的鉆出一側(cè)，應(yīng)鋪一層玻璃纖維布。在設(shè)計(jì)復(fù)合材料制品時(shí)，能夠設(shè)計(jì)成整體的盡可能設(shè)計(jì)成整體，或?qū)⒖赡芎喜⒌牧慵M可能合并成一個(gè)構(gòu)件，并采用固化工藝。三·復(fù)合材料力學(xué)性能分析3.1復(fù)合材料力學(xué)性能特點(diǎn)從力學(xué)分析角度看，復(fù)合材料同常規(guī)材料（例如工程上大量采用的金屬材料）的顯著區(qū)別是非均質(zhì)和各向異性3。3.1.1復(fù)合材料是一種結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)力學(xué)分析觀點(diǎn)來看，連續(xù)纖維增強(qiáng)高聚物復(fù)合材料是有纖維和高聚物兩種組分材料組成的，兩者之間有明顯的界面

15、，所以，實(shí)際上就是一種結(jié)構(gòu)。另外，這種材料是以層合的形式制成的，所以這種材料有事一種層合材料4 。如圖1-1所示3.1.2比強(qiáng)度、比模量較高纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是有高比強(qiáng)度、低密度的纖維材料（增強(qiáng)體）與基體所組成。具有比傳統(tǒng)材料較高的比強(qiáng)度和比模量。3.1.3具有可設(shè)計(jì)性纖維增強(qiáng)復(fù)合材料是由兩種或兩種以上不同強(qiáng)度和模量的材料組成的，而且多數(shù)又是每一鋪層方向可以隨意設(shè)置的層合結(jié)構(gòu)材料。所以，可以改變組份材料的種類、含量，以及鋪層方向和順序，使之在一定的范圍內(nèi)滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中對(duì)材料強(qiáng)度、彈性和方向性的要求。這在通常金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組是很難辦到的。因此，復(fù)合材料不僅給設(shè)計(jì)人員提供了一種比強(qiáng)度、比模量高的材料，而且給設(shè)計(jì)人員提供了一種在一定范圍內(nèi)可隨意改變性能的材料，以達(dá)到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料設(shè)計(jì)高度統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計(jì)5。（3,4,5來自書）3.2復(fù)合材料力學(xué)分析的基本假設(shè)3.2.1基本假設(shè)層合板是連續(xù)的單向板是均勻的單向板是正交各向異性的層合板是線彈性的層合板的變形是很小的3.2.2層合板特點(diǎn)一般復(fù)合材料層合板可能不具有彈性主方向,因?yàn)槿舾蓮?fù)合材料單層板按照不同的彈性主方向鋪設(shè)構(gòu)成了復(fù)