李維娜

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復(fù)合材料機(jī)身框的力學(xué)性能

李維娜

液體成型技術(shù)大大地降低了復(fù)合材料昂貴的制造成本，為復(fù)材提供了廣闊的應(yīng)用前景。目前，針對液體成型制件力學(xué)行為的研究還很少。因此，本文通過彎曲試驗(yàn)研究了熱壓罐和液體成型工藝下復(fù)合材料框的力學(xué)性能。結(jié)果表明，熱壓罐制備的試驗(yàn)件具有較高的破壞載荷和剛度。液體成型試驗(yàn)件容易發(fā)生分層，承載能力明顯低于熱壓罐試驗(yàn)件。可能是因?yàn)橐后w成型試驗(yàn)件的樹脂浸潤不夠或分布不均導(dǎo)致層間粘結(jié)力不夠，從而影響其承載能力。

復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度和比剛度，這能帶來大幅度的結(jié)構(gòu)減重，因此它在航空、航天領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。目前，先進(jìn)民機(jī)（B787、A350）上復(fù)合材料的用量已超過了50%。復(fù)材成型方法主要有兩種：熱壓罐成型和液體成型。熱壓罐成型原理是利用熱壓罐內(nèi)部的高溫壓縮氣體產(chǎn)生壓力對復(fù)合材料坯料進(jìn)行加熱、加壓以完成固化成型的方法。它適合制備大面積復(fù)雜型面的航空件，如蒙皮、壁板和殼體等。熱壓罐工藝對模具的設(shè)計要求高，模具必須具有良好的高溫剛性、導(dǎo)熱性和氣密性，而且熱壓罐系統(tǒng)龐大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格昂貴，一次性的投入高。液體成型是近年來發(fā)展起來的復(fù)合材料成型技術(shù)。它的出現(xiàn)大大降低了復(fù)材件昂貴的制造成本，為復(fù)材開辟了廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域。樹脂傳遞模塑RTM（Resin Transfer Molding）是液體成型中歷史最久、應(yīng)用最廣的一種。RTM是將纖維預(yù)制件放置于封閉的模腔內(nèi)，采用注射裝備將樹脂以低壓注入模腔的一種成型工藝方法。目前，針對不同工藝下復(fù)材制品的力學(xué)行為的研究還很少。因此，本文以熱壓罐和RTM兩種方式制備碳纖維加強(qiáng)的復(fù)材框?yàn)檠芯繉ο?，通過彎曲試驗(yàn)來研究不同制造工藝下框的承載能力，并分析復(fù)材框的破壞形式。

試驗(yàn)方案

試驗(yàn)件為高600mm，長1839mm的碳纖維增強(qiáng)復(fù)材半框。熱壓罐試驗(yàn)件采用漢高公司提供的預(yù)浸料單向帶和織物，RTM試驗(yàn)件采用漢高環(huán)氧樹脂和非屈曲經(jīng)編織物NCF（non-crimp fabric）。試驗(yàn)件鋪貼方式如圖1所示。彎角處的鋪層選擇從里向外退鋪。這種鋪貼方式，外緣剛度較小，當(dāng)外緣受壓時不會因?yàn)閯偠却蟮挚棺冃味a(chǎn)生較大的應(yīng)力，加速框破壞的發(fā)生。

彎曲試驗(yàn)加載方式如圖2所示，通過框端頭拉力產(chǎn)生彎曲載荷效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)加載。半框一端固定，一端施加框平面內(nèi)的拉力，直至框破壞。框的面外剛度低，為防止出現(xiàn)面外失穩(wěn)，在試驗(yàn)件上放置三塊約束蓋板，提高彎曲試驗(yàn)的成功率。

試驗(yàn)結(jié)果與分析

圖1　典型鋪層信息

加載時，框內(nèi)緣受拉，外緣受壓。加載初期，框發(fā)生彈性變形，位移和載荷成線性關(guān)系。由于蓋板的約束，框在載荷較低時不會發(fā)生總體失穩(wěn)。隨著載荷增加，受壓的框外緣會發(fā)生外翻，但可以繼續(xù)承載。增加載荷，外緣在壓應(yīng)力下發(fā)生分層，分層擴(kuò)展較慢。當(dāng)加載到破壞載荷，外緣分層迅速擴(kuò)展導(dǎo)致框破壞，失去承載能力。

表1　試驗(yàn)結(jié)果

圖2　試驗(yàn)裝置示意圖

圖3　試驗(yàn)件外緣發(fā)生分層破壞

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不管是通過熱壓罐工藝還是液體成型工藝制備的試驗(yàn)件，框的破壞均發(fā)生在平直段和彎曲段的過渡區(qū)域（見圖3）。此處外形曲率發(fā)生變化，引起應(yīng)力集中，是整個框的薄弱點(diǎn)。表1給出了實(shí)驗(yàn)得到的框破壞載荷和框端位移。結(jié)果顯示，熱壓罐制備的框具有較大的破壞載荷，同時其平均位移也較大。為有效衡量框的承載性能，引入等效剛度的概念，即單位加載位移上所能夠承受的載荷。熱壓罐制備的試驗(yàn)件等效剛度大，承載性能更好。

結(jié)束語

本文通過彎曲試驗(yàn)研究了不同制造工藝下復(fù)材框的承載能力，得到以下結(jié)論：1. 復(fù)材框的主要破壞形式是受壓框外緣的分層并擴(kuò)展，導(dǎo)致框斷裂，喪失承載能力。2.采用熱壓罐成型技術(shù)的試件具有更優(yōu)異的承載性能，平均破壞載荷大，等效剛度大。3. 液體成型RTM技術(shù)制備的試件在較小的載荷下（未到破壞載荷）就發(fā)生分層，加載至破壞載荷時，分層迅速擴(kuò)展導(dǎo)致框破壞?？赡苁荝TM工藝下，樹脂浸潤不夠或分布不均導(dǎo)致易于分層，從而影響其承載能力和力學(xué)性能。

李維娜

上海飛機(jī)設(shè)計研究院結(jié)構(gòu)設(shè)計研究部

李維娜（1986）女，江蘇宿遷，博士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)轱w行器設(shè)計。

10.3969/j.issn.1001-8972.2016.11.016