李仁鵬，王蘭

中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

?

淺談如何解決復(fù)合材料零件回彈問(wèn)題

李仁鵬，王蘭

中航通飛研究院有限公司，廣東珠海519040）

摘要：隨著復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中的大量使用，其優(yōu)勢(shì)逐漸被廣大設(shè)計(jì)人員所認(rèn)可，并不斷的發(fā)掘、優(yōu)化。但其同樣存在著一定的缺點(diǎn)，復(fù)合材料零件回彈變形、翹曲就是問(wèn)題之一。通過(guò)調(diào)整復(fù)合材料零件局部的定向樹(shù)脂含量，來(lái)解決復(fù)合材料零件回彈變形的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料；回彈；翹曲；樹(shù)脂含量

0　概述

隨著現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，人類(lèi)對(duì)工業(yè)產(chǎn)品的性能和經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越高。復(fù)合材料與傳統(tǒng)的金屬材料相比具有更高的比強(qiáng)度和比模量、良好的耐腐蝕性能和耐疲勞性能等。同時(shí)，復(fù)合材料作為各向異性的材料，具有更好的可設(shè)計(jì)性，可以得到性能更好、更輕的結(jié)構(gòu)。因此復(fù)合材料在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用比例越來(lái)越高。但是復(fù)合材料同樣存在著一些缺點(diǎn)，零件成型過(guò)程中的回彈問(wèn)題就是其一。

1　回彈產(chǎn)生的原因

復(fù)合材料在成型過(guò)程中由于材料本身的各向異性及加溫固化等因素使結(jié)構(gòu)內(nèi)部不可避免的產(chǎn)生殘余應(yīng)力，從而導(dǎo)致零件的回彈變形。零件的變形直接導(dǎo)致后續(xù)裝配的帶應(yīng)力裝配，影響產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和疲勞壽命，甚至造成零件報(bào)廢。

造成復(fù)合材料零件回彈變形的因素有很多。主要包括：零件的結(jié)構(gòu)形式、鋪層方式及取向、固化時(shí)間及溫度、固化壓力分布及樹(shù)脂流動(dòng)、隨溫度變化的材料力學(xué)性能、固化反應(yīng)放熱、化學(xué)收縮、纖維體積含量、固化工藝參數(shù)、模具因素等。

綜合以上復(fù)合材料零件回彈變形的產(chǎn)生原因，可以簡(jiǎn)單的歸類(lèi)為：固化過(guò)程中產(chǎn)生的纖維內(nèi)應(yīng)力和樹(shù)脂的收縮。

2　回彈的解決方法

復(fù)合材料零件的基本結(jié)構(gòu)形式有：等厚度板件、變厚度板件和帶曲率零件。任何復(fù)雜零件都可認(rèn)為是由這3種結(jié)構(gòu)形式組合而成。在這里我們拋開(kāi)固化溫度曲線(xiàn)、壓力和模具等工藝因素的影響，單從零件設(shè)計(jì)上來(lái)考慮。

基于復(fù)合材料零件回彈由固化過(guò)程中產(chǎn)生的纖維內(nèi)應(yīng)力和樹(shù)脂的收縮造成，等厚度復(fù)合材料板件，可以通過(guò)設(shè)計(jì)完全對(duì)稱(chēng)的鋪層來(lái)避免回彈的產(chǎn)生。變厚度復(fù)合材料板件，在完全對(duì)稱(chēng)鋪層的情況下會(huì)由于零件的剛度突變，纖維產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，向無(wú)階差的一側(cè)彎曲。帶曲率的復(fù)合材料零件，會(huì)由于樹(shù)脂的內(nèi)外差異向曲面零件的內(nèi)側(cè)彎曲變形，實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)變厚度零件厚度變化過(guò)大時(shí)，零件會(huì)向有階差一側(cè)回彈。帶曲率零件的曲率過(guò)大時(shí)，零件向內(nèi)的變形量比預(yù)期要大。通過(guò)分析，主要是由于在變厚度的階差處往往會(huì)形成富膠帶，樹(shù)脂的收縮抵抗了纖維的內(nèi)應(yīng)力，并使零件回彈方向改變。大曲率零件在零件內(nèi)側(cè)同樣會(huì)形成富膠帶，使零件變形比預(yù)期的要大。綜上，可以通過(guò)調(diào)節(jié)零件樹(shù)脂含量來(lái)調(diào)節(jié)零件的回彈量，并抵抗纖維內(nèi)應(yīng)力產(chǎn)生的回彈。

3　典型試驗(yàn)驗(yàn)證

依上述理論設(shè)計(jì)了1組試驗(yàn)，這組試驗(yàn)包含4組試驗(yàn)件。試驗(yàn)選取的零件為具有典型變厚度和大曲率的零件。零件剖面如圖1所示，沿曲率方向?yàn)?0°。零件基本材料為碳纖維編織布，每層厚度0.218mm，鋪層為（45/0/90/45/45/90/0/45）。單向帶具有纖維方向的唯一性，可以作為增加垂直纖維方向樹(shù)脂含量的材料，每層厚度0.15mm。單向帶沿與零件曲率垂直的方向鋪貼，以增加零件曲率過(guò)大位置外側(cè)的樹(shù)脂含量。用樹(shù)脂沿曲率方向的收縮來(lái)抵抗零件的回彈。第1組試驗(yàn)件用零件原始鋪層。第2組在原鋪層的基礎(chǔ)上，在零件外側(cè)增加1層碳纖維單向帶，位置及大小如圖1。第3組在原鋪層的基礎(chǔ)上，在零件外側(cè)增加2層碳纖維單向帶，位置如圖1。第4組在原鋪層的基礎(chǔ)上，在零件外側(cè)增加3層碳纖維單向帶，位置如圖1。

圖1　典型試驗(yàn)件結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)固化周期固化后，第1組回彈量1.5mm 到1.7mm。第2組回彈量0.9mm到1.1mm。第3組回彈量0.4mm到0.5mm。第4組回彈量0mm到0.2mm。試驗(yàn)件及回模情況對(duì)比，如圖2所示。

圖2　典型試驗(yàn)件及回模情況

根據(jù)本試驗(yàn)的結(jié)果，簡(jiǎn)單考慮初始回彈量c、零件厚度t、增加樹(shù)脂厚度t，引入系數(shù)k，減少的回彈量a，建立適用于本零件的公式

4　結(jié)束語(yǔ)

對(duì)于復(fù)合材料零件，當(dāng)不考慮固化溫度曲線(xiàn)、模具等工藝因素時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)零件局部樹(shù)脂含量來(lái)調(diào)節(jié)零件的回彈量。要避免復(fù)合材料零件回彈帶來(lái)的損失，就要在復(fù)合材料零件生產(chǎn)過(guò)程中盡量避免非預(yù)期的富膠或缺膠現(xiàn)象的出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］牛春勻，程小全，張紀(jì)奎.實(shí)用飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造［M］.北京：航空工業(yè)出版社，2010.

［2］張紀(jì)奎，酈正能，關(guān)志東.熱固性樹(shù)脂基復(fù)合材料固化變形影響因素分析［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26（1）：179-184.

［3］張紀(jì)奎，酈正能，關(guān)志東.熱固性復(fù)合材料固化過(guò)程三維有限元模擬和變形預(yù)測(cè)［J］.復(fù)合材料學(xué)報(bào)，2009，26（1）：174-178.

［4］戴棣，喬新，劉善國(guó).單曲面復(fù)合材料層合構(gòu)件的固化變形計(jì)算［J］.航空制造技術(shù)，1999（5）：46-58.

作者簡(jiǎn)介：李仁鵬（1982-），男，工程師，學(xué)士，從事飛機(jī)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、維修研究工作；王蘭（1981-），女，工程師，學(xué)士，從事通用飛機(jī)電氣的研究和設(shè)計(jì)。