先進(jìn)拉擠工藝預(yù)變形折彎定型-熱固化成形的理論模型

先進(jìn)拉擠工藝預(yù)變形折彎定型-熱固化成形的理論模型

預(yù)提取物拉擠壓形成也稱為先進(jìn)拉擠壓（adp），是預(yù)提取物在重力下通過重疊和折疊形成所需的產(chǎn)品形狀，完成預(yù)硬化的過程。通過連續(xù)步進(jìn)式擠壓，可以生產(chǎn)不受樣品長度限制的復(fù)合材料。該技術(shù)綜合自動鋪放成形、熱壓固化等工藝過程的優(yōu)勢,使拉擠進(jìn)程實現(xiàn)全程自動控制,可以制備高性能、低成本的各類復(fù)合材料型材。由于采用預(yù)浸料,其纖維含量及均勻性遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)的濕法纖維束拉擠、有效地提高制品的力學(xué)性能,已經(jīng)用于A300、A350等飛機(jī)。目前開展ADP研究與應(yīng)用的只有日本JAMCO公司,國內(nèi)相關(guān)研究剛剛起步,其工藝方法、裝備技術(shù)、成形機(jī)理與質(zhì)量控制亟待研究。本文立足于南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料工程自動化技術(shù)研究中心前期已研制的C型梁ADP熱壓原理樣機(jī),研究了由平直預(yù)浸料變形為C型截面型材的變形機(jī)理,建立了分析原理和變形路徑模型,研制了專用預(yù)成形試驗裝置,實現(xiàn)了由平直預(yù)浸料-預(yù)成形-熱壓固化-碳/環(huán)氧C型梁的制造工藝驗證。1預(yù)浸料變形原理及各部分問題所預(yù)浸料拉擠預(yù)成形是根據(jù)所需成形截面及鋪層設(shè)計,將裁切設(shè)定寬度的預(yù)浸料卷材經(jīng)過一系列的輥輪相互鋪疊、壓實(驅(qū)除氣泡)、折彎的過程。變形的實現(xiàn)與控制是關(guān)鍵技術(shù),變形分析是研究的基礎(chǔ)。鑒于C型長桁是復(fù)合材料加筋壁板中常用的結(jié)構(gòu)之一,制品既存在平面又存在折彎部位,通過平直卷材來制取C型截面梁,具有比較典型的意義;同時,預(yù)成型的C型梁可以再經(jīng)二次成形制備如I型梁、π型梁等,是ADP預(yù)成形的重要基礎(chǔ)。為便于分析和實驗研究,結(jié)合已研制的ADP熱壓原理樣機(jī),本文以30mm×50mmC型截面梁(圖1)為具體對象開展研究,而方法具有一般性。ADP工藝中的預(yù)成形段以預(yù)浸料卷材展平始,經(jīng)連續(xù)扭轉(zhuǎn)變形形成所需形狀截面終。就本文研究的對象而言,圖2(a)較為直觀地給出這一過程。從表面上看,這一過程類似于金屬冷軋型材的過程,但實際則相差甚大:預(yù)浸料在沿纖維方向受拉時呈現(xiàn)較大的剛性、不易變形。反向受壓及沿預(yù)浸料寬度方向的剛度和強(qiáng)度幾乎為零,變形開展不當(dāng)很容易發(fā)生屈皺、擰結(jié)和撕裂現(xiàn)象。為了便于分析,假設(shè)預(yù)浸料沿寬度方向是由若干獨立的等寬細(xì)分連續(xù)纖維束組成。在預(yù)浸料由平面連續(xù)扭轉(zhuǎn)變形成所需形狀的過程中,連續(xù)的纖維束必須從始至終嚴(yán)格保證處于受拉或接近受拉的臨界狀態(tài)才能保障復(fù)合材料型材的質(zhì)量。而對于拉伸剛性極大的纖維(尤其是用于ADP的碳纖維)而言,幾乎無法通過拉伸變形來補償變形過程的線長變化,因此,對于參與變形的纖維束,變形過程中從起點到終點的路徑長度一致則成為必須保證的首要條件。其次,為保證預(yù)浸料扭轉(zhuǎn)過程中不發(fā)生擰結(jié)和撕裂現(xiàn)象,每一纖維束在所經(jīng)過路徑中,不得產(chǎn)生對與其相鄰纖維束的橫向擠壓及分離。通過對圖2(a)的進(jìn)一步分析,可以發(fā)現(xiàn)C型截面預(yù)成形過程中的變形特征,腹板部分50mm的預(yù)浸料沒有發(fā)生變形,只是兩邊30mm翼緣預(yù)浸料需要有一個90°的扭轉(zhuǎn)變形。考慮C型梁的對稱性,只將其中的一側(cè)翼緣作為研究對象。沿用前面提出的纖維束的概念,如圖2(b)所示,將翼緣劃分為1~11束纖維。為了便于分析將這段扭轉(zhuǎn)的翼緣置于端面為正方形的ABCD-A1B1C1D1長方體中,初步給定長方體長邊長度(即變形長度)為500mm。分析圖2(b),可以發(fā)現(xiàn):(1)幾何參數(shù),AD=500mm,A2B2=DD1=30mm。(2)A2B2和DD1為翼緣變形的始邊和終邊。(3)A2B2和DD1各自10等分的基準(zhǔn)點分別以直線相連得到的1~11號線段,取x為線段AA2的長度,i為圖2(b)中的纖維基準(zhǔn)點的編號,各纖維束路徑的長度為:將終邊DD1位置固定,始邊A2B2從AB開始向A1B1平移,即x值從0至30變化分別計算一組不同的Li值。以x為設(shè)計變量、一組線段長度Li中的最長與最短線段長之差的最小值為目標(biāo)函數(shù)g(x)=min[Limax(x)-Limin(x)]、x>0為約束條件,采用黃金分割法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計,計算結(jié)果顯示,當(dāng)x=30,即A2B2與A1B1重合時結(jié)果最優(yōu),L1=L11,1~11號纖維束的計算長度Li-500見表1。從優(yōu)化結(jié)果結(jié)合圖2(b)觀察,當(dāng)A2B2與A1B1重合時,1號線和11號線的長度為長方體的兩條等長面對角線,無論長方體長邊的長度如何變化,總有B1D1=A1D。同時,11號線A1D與未變形的腹板區(qū)相鄰,等于未變形區(qū)纖維束長度,取A1D=500.899mm為基準(zhǔn)值,計算Li-500.899值見表1,負(fù)值表示路徑長度小于基準(zhǔn)長度、纖維會出現(xiàn)松弛的現(xiàn)象。從數(shù)據(jù)及圖2(b)可以看出,由于1~11號基準(zhǔn)點是關(guān)于6號基準(zhǔn)點對稱的,在下文的計算中,只列出1~6號基準(zhǔn)點纖維路徑長度較基準(zhǔn)長度A1D=500.899的變化。2預(yù)浸料橫向擠壓狀態(tài)沿線段BC以距離為50mm進(jìn)行截面等分,計算截面上1號纖維和11號纖維截點之間的相對距離,為在此截面上的預(yù)浸料的橫向距離。計算結(jié)果顯示,橫向距離從A1B1(30mm)逐漸變小至1/2平面處達(dá)到最小()后又逐漸變大直至DD1(30mm)變寬的過程,圖3為翼緣橫向距離被壓縮的變化情況。從上面分析可見當(dāng)翼緣發(fā)生扭轉(zhuǎn)時,B1D1和A1D兩邊界線在各個截面上的截點連線長度并不相等。纖維束在沒有附加約束時,一方面由前面計算結(jié)果處在2~10號線位置的纖維束會有松弛現(xiàn)象;另一方面扭轉(zhuǎn)過程中處在中部的纖維束會受到邊緣纖維束的擠壓并在全長1/2處將會發(fā)生最大的擠壓狀態(tài)。為此擬采用在長度1/2處的平面,設(shè)置一個展寬的約束,使其受擠壓的狀態(tài)得到舒展。如圖4(a)所示,按照1~11號基準(zhǔn)點的纖維路徑等長的原理,將6號線在1/2長度處斷開并向圖中圓弧中點處遷移,使得斷開的6號線兩段之和等于兩邊緣線的基準(zhǔn)長度,以6號線的斷點和1、11號線中點得到的基準(zhǔn)圓弧的半徑為,弧長為s=33.33mm,大于翼緣寬度30mm,纖維束可能產(chǎn)生分離。以1、11號線中點連線為弦,弦長,弧長s=30mm,構(gòu)造設(shè)計圓弧。設(shè)θ為設(shè)計圓弧所對應(yīng)的圓心角,r為半徑,則有關(guān)系式,,代入c,s值解得設(shè)計圓弧參數(shù):(1)半徑r=10.77mm;(2)圓心角θ=2.7906rad。由等長的原理取得的標(biāo)準(zhǔn)圓弧與設(shè)計圓弧輪廓線對比如圖4(b)所示,其中紅色圓弧為設(shè)計的1/2平面約束的輪廓線。將1~6號路徑在與設(shè)計圓弧的相應(yīng)等分點連接后形成的折線路徑長度進(jìn)行計算,結(jié)果如表2所示。在中間平面的1/2平面處增加強(qiáng)制展寬約束后,預(yù)浸料的橫向擠壓得到舒展。同時,計算結(jié)果顯示,纖維的最大松弛量減小約60%,路徑長度也趨于一致。3纖維路徑長度較基準(zhǔn)長度變化量根據(jù)表2計算結(jié)果,纖維路徑的長度差最大值為0.164mm,2~6號計算值均為負(fù)值,即2~6號纖維仍處于少量的松弛狀態(tài)。繼續(xù)沿用上節(jié)設(shè)計圓弧的方法,在1/4和3/4平面處增加兩處弧長為30mm,弦長為該處1、11號線截點距離的約束,約束曲線見圖5的圓弧曲線a,將2~6號路徑在與設(shè)計圓弧a的相應(yīng)等分點連接后重新計算線長,2~6號線纖維路徑長度較基準(zhǔn)長度變化量如表3所示。計算結(jié)果顯示2、3號線松弛量進(jìn)一步減小,4~6號線路徑長超過基準(zhǔn)長度,且從4至6號線纖維路徑長度處于遞增趨勢。實際應(yīng)用中,在張力作用下,遵循能量最低原理,6號線處于不穩(wěn)定平衡,而4號線和5號線則分別可能會向3號線和4號線移動,纖維束可能會發(fā)生橫向擠壓。如圖5所示,重新設(shè)計在1/4和3/4平面處的約束輪廓線b、c、d,曲線b為半橢圓弧,曲線c為兩圓弧加中間與之相切的線段,曲線d為三段直線段,并且三種方案的總線長均為30mm。上述四種方案,由曲線a約束輪廓線得出表3的結(jié)果,曲線a和曲線d是兩種邊界情況。為了得到盡可能優(yōu)化的結(jié)果,需要在這兩個邊界中間尋找優(yōu)化的輪廓線。通過優(yōu)化得到1/4和3/4平面處的約束輪廓線最優(yōu)方案為曲線c。具體參數(shù)為:兩段半徑r=5.5mm的1/4圓弧加連接兩段圓弧的直線。此時,1~6號纖維路徑長度較基準(zhǔn)長度變化量如表4所示。從表4的數(shù)據(jù)可以看出,數(shù)值較表2有了很大改善,同表3相比都是負(fù)值,即這些纖維的路徑長度均短于基準(zhǔn)長度,此時中間部分的纖維呈微量的松弛狀態(tài)。按翼緣扭轉(zhuǎn)變形最終優(yōu)化的參數(shù),可得如圖6所示的預(yù)浸料變形過程。4預(yù)成形方案設(shè)計在預(yù)成形的實際工程應(yīng)用中,需要考慮預(yù)浸料的連續(xù)輸送和盡量減少過程中材料的損傷,通常采用輥輪使預(yù)浸料在輸送過程中發(fā)生扭轉(zhuǎn)等變形以達(dá)到所需截面形狀,根據(jù)上文扭轉(zhuǎn)參數(shù)計算結(jié)果,提出預(yù)成形的工程方案設(shè)計如圖7所示?；谝欢ê穸炔牧显?0°折彎時,折角內(nèi)側(cè)材料受壓,外側(cè)材料受拉及預(yù)浸料的變形原理,需要控制一次折彎預(yù)浸料的厚度,一次折彎過厚預(yù)浸料可能引起折角處內(nèi)側(cè)堆疊,外側(cè)開裂。在不影響成形制品質(zhì)量的情況下,又需要一次折彎盡可能多的折彎預(yù)浸料,以保證設(shè)備的效率。圖7中給出了三套折彎導(dǎo)向機(jī)構(gòu)的工程方案模型,在單套折彎輥無法滿足制件厚度時,可以通過投入新的折彎輥組實現(xiàn)厚度的增加。5研制c型梁材料根據(jù)前面分析及工程模型,設(shè)計了專用預(yù)成型折彎試驗裝置,并在南京航空航天大學(xué)復(fù)合材料工程自動化技術(shù)研究中心ADP原理樣機(jī)進(jìn)行聯(lián)合試驗,如圖8所示,在單套折彎裝置上實現(xiàn)了一次6個鋪層的試驗,經(jīng)連續(xù)成形熱壓固化所得型材達(dá)到設(shè)計要求?，F(xiàn)階段研制的C型梁由雙向織物預(yù)浸料和單向預(yù)浸料疊加而成,從而使型材有較好的綜合性能,采用八層12500碳纖維/環(huán)氧單向預(yù)浸料、五層W3021碳纖維織物預(yù)浸料拉擠成形的C型梁復(fù)合材料型材如圖9所示。所制得的C型梁表面光滑,紋理均勻(表明沒有畸變變形),直線度達(dá)到0.5mm/m、C型梁折角90°±0.5°,力學(xué)性能優(yōu)良。從而驗證了理論分析的正確性和設(shè)計裝置的可行性。6c型梁預(yù)成形路徑設(shè)計預(yù)浸料拉擠成形是一種低成本復(fù)合材料制造新方法,國內(nèi)尚屬空白、亟待開發(fā)研制。