復合材料板簧選材及力學性能分析報告

1、 復合材料板簧選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計與力學性能分析報告一復合材料板簧選材1.1概述復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合工藝組合形成的一種結(jié)構(gòu)物。復合材料既具備原材料的特點又有原材料沒有的性能,所以不能把復合材料看做組分材料的簡單相加1。復合材料中的連續(xù)相叫做基體,而分散相叫做增強材料。增強材料以獨立的形態(tài)分布于基體當中?；w的主要作用是承載增強材料,防止增強材料遭受腐燭和物理損傷。增強材料除了提高復合材料基體的力學性能外,還能提高熱變形溫度,使復合材料在磁、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；材料的力學性

2、能要滿足結(jié)構(gòu)的強度、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，且在預浸料制備、固話成型、機械加工裝配和修補等方面具有良好的工藝性；對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，容易運輸、儲存，安全性好；材料應滿足結(jié)構(gòu)的特殊性能要求，如雷達罩要求有透波性，客機的內(nèi)裝飾件要求阻燃性等。1.3基體材料的選擇 選擇原則應滿足結(jié)構(gòu)的使用溫度范圍要求。應滿足基體的力學性能要求樹脂的物理、化學性能應滿足于結(jié)構(gòu)的使用要求滿足工藝性要求低毒性、低刺激性，價格合理考慮到汽車板簧的工作特點，

3、復合材料板簧的基體材料應具有長期在靜載和動載下的承載能力 （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，復合材料板簧中的增強材料的設(shè)計為長度方向的縱向分布，其厚度與寬度方向的層間剪切強度僅依靠基體材料來提供，因此基體材料層間剪切強度的控制也尤為重要。目前，制造復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或兩個以上環(huán)氧基團的一類高分子化合物，實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械性能與層間剪切強度、較低的固化收縮率及優(yōu)良的工藝性能，且市場供應充足，成本較低，是比較理想的基體材料

4、。環(huán)氧樹脂最大的弱點是韌性較差，固化后的環(huán)氧樹脂性脆，耐沖擊性較差，容易開裂。因此需要對其進行改性，以達到增韌的目的。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、效率低，而且復合材料板簧樣件的性能不穩(wěn)定，不利于復合材料板簧的產(chǎn)業(yè)化。漢高公司生產(chǎn)的樂泰MAX2是一種聚氨酯基復合材料基體樹脂，雖然價格稍高于環(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，所以注塑時間更短，有利于復合材料板簧的大批量生產(chǎn)。在反應放

5、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致的收縮等風險。對于板簧這樣較厚的層合板結(jié)構(gòu)，可明顯減小內(nèi)應力的殘留，對復合材料板簧的疲勞壽命有利。在機械性能方面，樂泰MAX2與環(huán)氧樹脂的對比如表1所示：表1樂泰MAX2與環(huán)氧樹脂機械性能的對比牌號樂泰MAX2環(huán)氧樹脂拉伸模量/MPa280031003400拉伸強度/MPa80 70100彈性伸長率/%510 36Tg玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度/105120110140臨界應力強度因子K1c（MPa/m2）1.2 0.50.9從表1可知，樂泰MA

6、X2的機械性能與環(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，當破壞發(fā)生時，聚氨酯內(nèi)部裂紋的擴展速率遠低于環(huán)氧樹脂，對復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。此外，聚氨酯樹脂能夠與玻璃纖維形成優(yōu)異的界面粘接，對標準纖維浸潤劑有出色的適用性。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作為復合材料板簧的基體材料。1.4基體材料的力學性能表2樂泰MAX2（純樹脂基體）的力學性能參數(shù)參數(shù)值密度/g.cm-31.041.20拉伸模量/GPa2.8拉伸強度/

7、MPa80斷裂伸長率/%9彎曲模量/GPa2.7彎曲強度/MPa115玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度Tg/115臨界應力強度因子K1c（MPa/m2）1.2表3樂泰MAX2與玻纖復合后的層合板力學性能參數(shù)參數(shù)值纖維體積含量/%48拉伸模量/GPa28拉伸強度/MPa630彎曲模量/GPa29彎曲強度/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材料。若結(jié)構(gòu)要求有高的剛度，則

8、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度時，則可選用比強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，復合材料還可由多種纖維混合構(gòu)成混雜復合材料。復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)。目前板簧中的增強材料主要分為 E 玻纖、S 玻纖及碳纖維三種。主要增強纖維的性能如表4所示。 表4主要增強纖維的性能牌號密度/g.cm-3線脹系數(shù)/10-6K-1彈性模量/GPa拉伸強度/GPa伸長率/%

9、泊松比比強度/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，有時為簡化工藝和獲得預期的性能還適當摻入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纖維的性能有較大的影響。玻璃纖維主要特點是不燃、不腐爛、耐熱、拉伸強度高，斷裂伸長率較小，絕熱性與化學穩(wěn)定性好

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

11、S玻纖。M-玻璃纖維又稱高模量玻璃纖維，一般玻璃纖維強度很高，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。它的彈性模量可達到95GPa，而且拉伸強度也很高，同時電絕緣性能好。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，但其昂貴的價格使其應用受到了限制。此外，碳纖維具有較低的沖擊強度，而且在與金屬的結(jié)合處可能發(fā)生電化學腐蝕，可能會削弱構(gòu)件的強度。綜合比較各主要增強材料的性能、成本及成型工藝，E 玻纖是最具性價比的選擇。PPG2026玻璃纖維屬于E-玻璃纖維，由美國PPG工業(yè)

12、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，該型號玻璃纖維也是玻璃纖維行業(yè)的領(lǐng)先產(chǎn)品，能夠增強纖維與樹脂的粘結(jié)力，從而提升復合材料板簧的疲勞性能，完全能夠滿足復合材料板簧對增強纖維力學性能的要求。因此，采用PPG2026 2400tex玻璃纖維作為復合材料板簧的增強纖維。1.6增強纖維材料的力學性能表5 PPG2026 2400tex的力學性能直徑/m密度/g.cm-3拉伸模量/GPa拉伸強度/MPa伸長率/%172.5882.726503.2 二復合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則復合材料結(jié)構(gòu)一般采用按使用載荷設(shè)計，按設(shè)計載荷校核的方法。結(jié)構(gòu)強度計算用的許用值，分為使用許用

13、值和設(shè)計許用值，他們分別對應最大使用載荷和設(shè)計載荷。復合材料強度準側(cè)只適用于復合材料單層，一般采用蔡-吳（Tsai-Wu）張量準則。復合材料結(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)值可選取對應溫度區(qū)間的平均值；對于剛度有嚴格要求的重要部位，需要選用對應溫度區(qū)間的B基準值。2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計的公益性要求鋪層設(shè)計要考慮公益性問題。結(jié)構(gòu)零件的拐角應有較大的圓角半徑，避免在拐角處出現(xiàn)纖維斷裂、富膠。纖維架橋等缺陷。對于外形結(jié)構(gòu)復雜的結(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，應使該表面為貼膜面。復合材料構(gòu)件的壁厚一般應控制在7.5m

14、m以下。對于壁厚大于7.5mm的構(gòu)件，除了必須采用工藝措施保證質(zhì)量外，設(shè)計時適當降低力學性能參數(shù)。為保證連接區(qū)的鉆孔質(zhì)量，在孔的鉆出一側(cè)，應鋪一層玻璃纖維布。在設(shè)計復合材料制品時，能夠設(shè)計成整體的盡可能設(shè)計成整體，或?qū)⒖赡芎喜⒌牧慵M可能合并成一個構(gòu)件，并采用固化工藝。三復合材料力學性能分析3.1復合材料力學性能特點從力學分析角度看，復合材料同常規(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復合材料是一種結(jié)構(gòu)從傳統(tǒng)力學分析觀點來看，連續(xù)纖維增強高聚物復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，所以，實際上就是一種結(jié)構(gòu)。另外，這種材料是以層

15、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比強度、比模量較高纖維增強復合材料是有高比強度、低密度的纖維材料（增強體）與基體所組成。具有比傳統(tǒng)材料較高的比強度和比模量。3.1.3具有可設(shè)計性纖維增強復合材料是由兩種或兩種以上不同強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)計中對材料強度、彈性和方向性的要求。這在通常金屬材料的結(jié)構(gòu)設(shè)計組是很難辦到的。因此，復合材料不僅給設(shè)計人員提供了一種比強度、比模量高的材料，而且給設(shè)計人員提供了一種在一定范圍內(nèi)可隨意改變性能的材料，以達到結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料設(shè)計高度統(tǒng)一的優(yōu)化設(shè)計5。（3,4,5來自書）3.2復合材料力學分析的基本假設(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層合板特點一般復合材料層合板可能不具有彈性主方向,因為若干復合材料單層板按照不同的彈性主方向鋪設(shè)構(gòu)成了復合