郭文文，彭董挹海，黃小雙，李 云，姚 遠(yuǎn)

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200030；2.上海市南洋中學(xué)，上海200032）

碳纖維織物力學(xué)性能和沖壓成形實(shí)驗(yàn)研究

郭文文1，彭董挹海2，黃小雙1，李 云2，姚 遠(yuǎn)1

（1.上海交通大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海200030；2.上海市南洋中學(xué)，上海200032）

在實(shí)際成形過程中，碳纖維復(fù)合材料往往處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)，開展近于真實(shí)載荷環(huán)境下的力學(xué)試驗(yàn)分析，能夠更準(zhǔn)確地認(rèn)識實(shí)際應(yīng)用中材料的成形性能和變形機(jī)理.為獲得碳纖維織物的基本力學(xué)特性，設(shè)計(jì)了平紋碳纖維織物拉伸試樣及成形試樣，進(jìn)行了單軸拉伸、雙軸拉伸、鏡框剪切試驗(yàn)和方盒沖壓成形實(shí)驗(yàn)研究，對比了不同雙拉比及紗線取向?qū)αW(xué)性能及成形性能的影響.研究結(jié)果表明：碳纖維織物具有高度的非線性、各向異性和雙拉耦合特性，即經(jīng)緯向纖維的力學(xué)性能會相互影響；剪切變形是成形過程中的主要變形模式，當(dāng)剪切角達(dá)到臨界鎖死角時，織物發(fā)生起皺現(xiàn)象；同種織物不同紗線取向試樣表現(xiàn)出不同的成形性能，因此可以根據(jù)零件幾何形狀選擇合適纖維取向的織物，從而減少缺陷，優(yōu)化成形零件的力學(xué)性能.研究結(jié)果為后續(xù)建立碳纖維織物本構(gòu)模型和成形仿真奠定了基礎(chǔ).

碳纖維；織物；成形性能；力學(xué)試驗(yàn)；成形實(shí)驗(yàn)

碳纖維織物是一種高性能的復(fù)合材料增強(qiáng)體，具有比強(qiáng)度比模量高、耐高溫、耐腐蝕、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)和抗疲勞性能好等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航天航空、國防軍工領(lǐng)域［1－2］.近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了復(fù)合材料沖壓成形工藝［3］，這為碳纖維編織復(fù)合材料大批量、高效率、低成本生產(chǎn)提供了新的契機(jī).但是，復(fù)合材料織物在沖壓成形中涉及紗線間的相互作用、纖維轉(zhuǎn)動和再分配，導(dǎo)致其成形力學(xué)和變形機(jī)理非常復(fù)雜［4－5］.深入理解編織復(fù)合材料的力學(xué)特性和變形機(jī)理有利于后續(xù)本構(gòu)開發(fā)和成形仿真工作的開展，因此，對碳纖維織物進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)和成形實(shí)驗(yàn)研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值.

國內(nèi)外學(xué)者在編織復(fù)合材料的力學(xué)測試、成形實(shí)驗(yàn)和成形仿真方面進(jìn)行了大量的研究.在力學(xué)測試方面，Cao等［6］對編織復(fù)合材料剪切性能測試進(jìn)行了規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)化.Launay等［7－8］通過偏軸拉伸和鏡框剪切試驗(yàn)研究了玻璃纖維織物的面內(nèi)剪切性能，并對剪切力進(jìn)行了正則化規(guī)定.Lebrun等［9］通過鏡框試驗(yàn)和偏拉試驗(yàn)對聚合物基編織復(fù)合材料在不同溫度下的剪切行為進(jìn)行了研究.在成形實(shí)驗(yàn)和仿真方面，張琦等［3］設(shè)計(jì)了一種非等溫加熱半球沖壓模具，討論了碳纖維編織復(fù)合材料半球沖壓在不同溫度條件下的起皺和纖維縮進(jìn)情況.Abbassi等［10］和Khan等［11］分別對編織纖維預(yù)浸料和干纖維編織布進(jìn)行了雙球沖壓實(shí)驗(yàn)，并討論了多層預(yù)浸料層間滑移情況及不同壓邊方式對成形件質(zhì)量的影響.Peng等［12］利用雙球沖壓數(shù)值模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，驗(yàn)證了其所提出的非正交本構(gòu)模型的可靠性.

雖然這一領(lǐng)域已有了很多研究成果，但是無法全面揭示碳纖維織物的成形變形機(jī)理.本文對碳纖維織物展開單軸拉伸、雙軸拉伸、鏡框剪切試驗(yàn)和方盒沖壓成形實(shí)驗(yàn)研究，旨在探索碳纖維織物在大變形條件下的力學(xué)行為和變形機(jī)理.

1 實(shí) 驗(yàn)

本文研究對象為碳纖維T300－3K平紋織物，其相關(guān)性能參數(shù)如表1所示.

表1 碳纖維T300－3K平紋織物具體參數(shù)Table 1 Parameters of the balanced plain carbon woven fabric

1.1 單軸拉伸性能研究

碳纖維平紋織物的單軸拉伸選擇矩形試樣，試樣長為 230 mm，寬為 115 mm.拉伸設(shè)備為Zwick／Roell 2 t萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示.實(shí)驗(yàn)時，拉伸沿著織物的紗線方向，拉伸速度為2 mm／min，在室溫下進(jìn)行多次試驗(yàn)，輸出單軸拉伸試驗(yàn)力－位移曲線.

圖1 單拉拉伸機(jī)和拉伸試樣Fig.1 Uniaxial tensile device and specimen

1.2 雙軸拉伸性能研究

為了更好地了解碳纖維織物經(jīng)紗和緯紗間的力學(xué)影響關(guān)系，對該碳纖維織物進(jìn)行了不同雙拉比的雙軸拉伸試驗(yàn).試驗(yàn)裝置如圖2所示，該裝置可以對2個垂直軸方向同時加載.為了避免面內(nèi)剪切變形，實(shí)驗(yàn)試樣設(shè)定為“十字正交形”，中心區(qū)域有效尺寸為 50 mm×50 mm，拉伸臂長180 mm，寬50 mm.試驗(yàn)時通過控制經(jīng)紗和緯紗方向的位移來實(shí)現(xiàn)不同的雙拉比，拉伸速度為2 mm／min，在室溫下進(jìn)行多次試驗(yàn)，測得經(jīng)緯方向的拉伸載荷－應(yīng)變曲線，其中雙拉比k＝ε22／ε11（1代表經(jīng)線方向，2代表緯向方向，當(dāng)經(jīng)線方向k＝2時等效于緯線方向k＝0.5）.由于平紋織物的經(jīng)向和緯向力學(xué)性能等效，因此本文只給出經(jīng)線方向的拉伸載荷－應(yīng)變曲線.

圖2 雙軸拉伸機(jī)和拉伸試樣Fig.2 Biaxial tensile device and specimen

1.3 鏡框剪切性能研究

碳纖維織物的經(jīng)向纖維和緯向纖維的夾角變化引起面內(nèi)剪切變形，這種變形是織物復(fù)合材料成形過程中的主要變形模式［13］.本文通過鏡框剪切（picture?frame）試驗(yàn)來研究碳纖維織物的剪切性能.鏡框是由4個一樣的鋼臂構(gòu)成并各自可以繞鉸點(diǎn)自由轉(zhuǎn)動，鏡框尺寸為240 mm×240 mm，有效尺寸為180 mm×180 mm，該試驗(yàn)在Zwick／Roell 2t萬能拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，拉伸速度10 mm／min，如圖3所示.

圖3 鏡框剪切裝置和剪切試樣Fig.3 Picture?frame device and shearing specimen before（a）and after（b）shear deformation

試驗(yàn)輸出結(jié)果為剪切力－位移曲線，根據(jù)如圖4所示的試樣幾何變形原理，可以由式（1）將力－位移曲線轉(zhuǎn)化為剪切力－剪切角曲線.

式中：Lframe為鏡框臂長；u為拉伸位移；Δθ為剪切角.

圖4 鏡框剪切示意圖Fig.4 Scheme diagram of picture frame

1.4 纖維織物沖壓成形性能研究

前文已經(jīng)通過單軸拉伸、雙軸拉伸和鏡框剪切試驗(yàn)初步了解了該碳纖維織物的力學(xué)特性，下面將通過方盒沖壓實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步探索其在成形中的力學(xué)行為和變形機(jī)理.剪裁160 mm×160 mm的正方形試樣，剪裁方式有2種：一種沿纖維束（0°／90°）方向剪裁，見圖5（a）；另一種垂直纖維束（±45°）方向剪裁，見圖5（b）.

設(shè)計(jì)了如圖6所示的方盒沖壓模具，方盒尺寸為60 mm×60 mm×30 mm，以模具橫向?qū)ΨQ軸為1軸，縱向?qū)ΨQ軸為2軸，對稱中心為原點(diǎn)，建立如圖6所示的坐標(biāo)系來定義碳纖維織物相對于模具的紗線方向.實(shí)驗(yàn)時保證兩種試樣的坐標(biāo)系與模具坐標(biāo)系重合，實(shí)驗(yàn)在自主設(shè)計(jì)的熱模壓成形機(jī)上進(jìn)行.

圖5 實(shí)驗(yàn)中所用的平紋編織碳纖維布Fig.5 Balanced plain carbon woven fabric：（a）0°／90°；（b） ±45°

圖6 成形模具Fig.6 Forming model

2 結(jié)果與分析

2.1 單軸拉伸性能分析

由圖7可知，該碳纖維織物單軸拉伸試驗(yàn)波動性很大，這是由于試樣剪裁困難和拉伸過程中纖維斷裂的情況不一致.此外，分析圖7可知，雖然該試驗(yàn)數(shù)據(jù)波動性較大，但仍可根據(jù)力－位移之間是否表現(xiàn)出線性相關(guān)性將拉伸力－位移曲線大致分為3個階段：第1階段，拉伸力和拉伸模量相對較小，這是由于該階段編織纖維間有空隙和卷曲的纖維.第2階段，隨著變形的增加，拉伸力－位移曲線近似線性且拉伸模量很大，該區(qū)間屬于正常拉伸階段，在此階段各試樣的彈性模量相近；第3階段，當(dāng)變形較大時，拉伸力－位移曲線出現(xiàn)嚴(yán)重的非線性，且拉伸模量相對第2階段有所降低，這是因?yàn)樵撾A段出現(xiàn)了大量纖維的斷裂.綜上，該碳纖維織物的拉伸實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚨ㄐ缘拿枋鎏祭w維織物的力學(xué)特性，從整個拉伸階段可以看出，該碳纖維織物沿紗線方向的拉伸性能具有高度的非線性力學(xué)行為.

圖7 單軸拉伸力－位移曲線Fig.7 Uniaxial tensile load?displacement curve

2.2 雙軸拉伸性能分析

由圖8可知：與單軸拉伸相似，在同一雙拉比下，當(dāng)變形很小時，材料模量很低，表現(xiàn)為高度的非線性；而在變形較大時，近似為線性.同時，隨拉伸比增加，非線性區(qū)域減少，而且線性區(qū)域的材料彈性模量不隨著拉伸比增大而增加.正如單軸拉伸試驗(yàn)分析指出，初始階段非線性是由于存在纖維間隙和纖維卷曲，隨雙拉比的增加，由于纖維間的橫向擠壓程度增加可以有效減少纖維間隙和纖維卷曲，所以單軸拉伸時（另一方向沒有約束）非線性區(qū)間最大，但是當(dāng)大部分纖維都進(jìn)入拉伸狀態(tài)之后，材料性能由碳纖維材料本身決定.通過雙軸拉伸試驗(yàn)可知，這種織物具有明顯的雙拉耦合效應(yīng)，即一個方向的力學(xué)行為會對另一方向的力學(xué)行為產(chǎn)生影響.在碳纖維復(fù)合材料成形過程中，尤其是熱沖壓成形，由于壓邊圈施加壓邊力的作用，必須要考慮雙拉耦合效應(yīng)對成形質(zhì)量的影響.

圖8 雙軸拉伸力－應(yīng)變曲線Fig.8 Biaxial tensile load?strain curve

2.3 剪切性能分析

如圖9所示，剪切力－剪切角曲線呈現(xiàn)顯著的非線性特征，整個過程大致可以分為3個階段：第1階段，由于纖維束自由旋轉(zhuǎn)和偏移，外力主要克服纖維間的摩擦呈線性增加；第2階段，隨著剪切角增大，經(jīng)緯纖維相互擠壓，剪切剛度增大，外力呈非線性增加；第3階段，當(dāng)纖維達(dá)到剪切鎖死角后，中心剪切區(qū)域出現(xiàn)起皺現(xiàn)象（如圖3（b）所示），外力和剪切剛度劇烈增加，這是由于某些纖維處于拉伸狀態(tài).通過分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，擬合第1階段的線性曲線，該擬合線與剪切力－剪切角曲線于第2階段35°附近出現(xiàn)明顯分離，對比多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以粗略估計(jì)剪切鎖死角約為35°.為進(jìn)一步驗(yàn)證，在相同條件下進(jìn)行了多次鏡框剪切試驗(yàn)，實(shí)時監(jiān)測纖維角度變化及起皺情況，記錄試樣開始發(fā)生起皺時刻的纖維剪切角，如表2所示，進(jìn)一步確定該織物的臨界鎖死角為35°.

圖9 鏡框剪切力－剪切角曲線Fig.9 Picture fame shear force vs shear angle curve

表2 鏡框剪切試樣起皺時刻的纖維剪切角Table 2 Picture?fame shear angle on specimen wrinkling（°）

2.4 方盒沖壓成形性能分析

通過觀察發(fā)現(xiàn)，在成形過程中織物纖維主要通過轉(zhuǎn)動進(jìn)行重新排列和取向.成形實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示，不同取向的試樣可以成形不同輪廓形狀的零件.

圖10 沖壓模具和沖壓成形件Fig.10 Stamp die and formed part：（a）0°／90°；（b）±45°

比較圖10（a）和圖10（b），可以直觀地看出：±45°試樣的成形件邊界纖維縮進(jìn)量比較均勻，在圓角過渡帶沒有出現(xiàn)起皺現(xiàn)象；而0°／90°試樣的成形件邊界纖維縮進(jìn)量極度不均勻，圓角過渡帶由于剪切角超過臨界剪切鎖死角（35°）出現(xiàn)了起皺，成形零件的輪廓形狀出現(xiàn)了類似于金屬成形中的“制耳”現(xiàn)象，這客觀反映了這種織物具有較強(qiáng)的各向異性.因此可根據(jù)零件幾何形狀選擇合適纖維取向的織物，合理鋪層，減少缺陷，優(yōu)化成形零件的力學(xué)性能.

3 結(jié) 論

1）碳纖維織物具有高度的非線性和各向異性力學(xué)特性，同時具有雙拉耦合效應(yīng)，即經(jīng)線（緯線）方向的力學(xué)行為會影響緯線（經(jīng)線）方向的力學(xué)行為，且雙軸拉伸狀態(tài)下的力－應(yīng)變曲線的非線性區(qū)域隨雙拉比的增加而減小.

2）剪切變形是成形過程中的主要變形模式，當(dāng)剪切角達(dá)到“臨界鎖死角”時，纖維間產(chǎn)生劇烈的擠壓，織物發(fā)生起皺現(xiàn)象，因此剪切鎖死角可以用于預(yù)測起皺缺陷.

3）同種織物不同紗線取向的試樣表現(xiàn)出不同的成形性能，±45°織物相比0°／90°織物成形件邊界縮進(jìn)量更均勻，起皺趨勢更小.因此可以根據(jù)零件幾何形狀選擇合適纖維取向的織物，合理鋪層，從而減少缺陷，優(yōu)化成形零件的力學(xué)性能.

本文的研究成果為后續(xù)織物本構(gòu)模型的構(gòu)建及其成形仿真奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ).

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（編輯 程利冬）

Experimental study on the mechanical properties and stamping forming of a carbon woven fabric

GUO Wenwen1，PENG Dongyihai2，HUANG Xiaoshuang1，LI Yun2，YAO Yuan1

（1.School of Material Science and Technology，Shanghai Jiao Tong University，Shanghai 200030，China；2.Shanghai Nanyang High School，Shanghai 200032，China）

Composite material in forming process is usually subject to complex loading conditions that can induce a stress field with two or even three dynamic principal stresses.The experimental analysis of composite material could approximate the real loading condition to produce a multiaxial stress field for validating the material formability.This paper presents an experimental study on the mechanical properties and forming behavior of carbon woven fabric.Uniaxial tensile，biaxial tensile and picture frame tests were carried out to get the basic mechanical properties of a carbon woven fabric.Experimental results indicate that the carbon woven fabric has highly nonlinear，anisotropic and biaxial tensile coupling characteristics.Square?box stamping of the carbon woven fabric was implemented to investigate its forming behavior.It is found that in?plane shear is the main deformation mode during stamping.The fabric will wrinkle when the shear angle reaches a critical lock angle.Samples with different initial fiber yarn orientation render different forming properties.Therefore，one can reduce defects and optimize the mechanical properties of formed parts by choosing suitable yarns direction of the fabric based on its geometry.Results of this study lay an experimental foundation for developing woven fabric constitutive model and conducting numerical simulation on forming in the future work.

carbon；woven fabric；formability；mechanical testing；forming experiment

TB332

A

1005－0299（2017）03－0041－05

2016－09－30.< class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時間：

時間：2017－05－04.

上海市南洋中學(xué)科技創(chuàng)新項(xiàng)目支持.

郭文文（1992—），女，碩士研究生.

郭文文，E?mail：elainegww＠163.com.

10.11951／j.issn.1005－0299.20160328