徐志偉 余于仿 丁旭東 李若谷 陸桂來

(1.南京郵電大學通達學院,江蘇 揚州,225127;2.常州機電職業(yè)技術學院,江蘇 常州,213164; 3.中國能源建設集團南京線路器材有限公司,江蘇 南京,210037)

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1 試驗部分

1.1 主要原料

碳纖維,T700,日本東麗株式會社;高強度玻璃纖維,南京玻璃纖維研究設計院;玻璃纖維編織帶,山東魯發(fā)碳纖維復合材料有限公司;改性環(huán)氧樹脂,中國能建集團裝備有限公司。

1.2 混雜纖維復合材料的制備

混雜纖維復合材料采用連續(xù)拉擠工藝,最外層為兩條玻璃纖維編織帶,中間部分的玻璃纖維/碳纖維比例根據(jù)力學性能要求合理配比。纖維放置在紗架上,單向集束,經(jīng)過浸膠槽浸漬樹脂膠液,由具有三段式加熱功能的鋼制模具進行固化,然后通過兩段式加熱功能的固化爐進行后固化成型,最終由收卷機進行收卷。其中，模具一～三區(qū)溫度分別為150～190 ℃，160～200 ℃，200～230 ℃；后固化一區(qū)、二區(qū)溫度分別為160～200 ℃，200～230 ℃。

2 高溫拉伸試驗

試驗在上海電纜研究所200 kN高低溫材料試驗機上進行,拉伸速度為2 mm/min,截取復合材料試樣,保證有效拉伸長度為525 mm。將試樣置于120 ℃的烘箱內靜置400 h,然后在高溫試驗機的試驗箱內靜置1 h后在高溫下測試拉伸強度(5組試樣)如圖1所示。

圖1 芯棒高溫拉伸強度試驗示意

從圖1(b)可以看出,最外層的玻璃纖維和玻璃纖維編織帶未全部斷裂,說明這部分材料尚未達到強度極限。內層的碳纖維全部發(fā)生斷裂,表明碳纖維承擔了較多的載荷。這是由于混雜纖維復合材料的力學性能依靠纖維和樹脂之間的緊密結合作用來實現(xiàn),當復合材料長期處于120 ℃時,樹脂發(fā)生軟化,強度下降,與纖維的結合力減少,載荷位移傳遞到碳纖維/玻璃纖維/玻璃纖維編織帶上,使得碳纖維承擔的載荷大于玻璃纖維/玻璃纖維編織帶[2]。

5個試件高溫拉伸強度實測值分別為2 561,2 549,2 539,2 436,2 565 MPa,平均值為2 530 MPa。試驗中還發(fā)現(xiàn),試樣在斷裂破壞瞬間,發(fā)出巨響,出現(xiàn)樹脂粉末煙霧。但是,試樣斷裂前沒有明顯跡象,也沒有明顯的屈服極限。這是由于拉力載荷方向與樹脂中的玻璃纖維/碳纖維排布方向相同,隨著載荷的不斷增大,纖維發(fā)生斷裂,強度較小的樹脂也隨之斷裂。

3 拉伸破壞有限元分析

下面采用有限元軟件ANSYS進行仿真,建立4相(碳纖維、玻璃纖維、玻璃纖維編織帶、樹脂)復合材料力學模型[3],將直徑僅有幾微米的碳纖維/玻璃纖維絲合并為直徑較大的纖維線束模型,模型最外層包覆玻璃纖維編織帶。

將復合材料的4相結構均采用映射劃分,從而保持了單元形狀的一致,劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

圖2 復合材料有限元網(wǎng)格模型

120 ℃長期高溫下,纖維的初始應力可以忽略,同時樹脂基體發(fā)生“軟化”,不考慮樹脂自身強度的影響。在復合材料模型端部表面施加拉力直至復合材料發(fā)生破壞斷裂,計算得出的復合材料及纖維的應力-應變曲線如圖3所示。

圖3 復合材料的應力-應變關系

從圖3可以看出,隨著載荷的增加,碳纖維一旦斷裂失效,剩余的纖維和樹脂不能承受如此大的應力,隨即發(fā)生斷裂。當復合材料應力增加到2 498 MPa時,復合材料斷裂,發(fā)生拉伸破壞。此時,碳纖維的應力達到破壞極限值4 920 MPa,而玻璃纖維的應力為2 014 MPa,玻璃纖維編織帶的應力為1 512 MPa,均未達到破壞值。

（四）以滾動計劃為核心的作業(yè)許可管理。儲運作業(yè)具有需敏捷管理的特點，敏捷管理的核心就是要根據(jù)現(xiàn)有資源，排定應對計劃變動的需求池。以天為最小單位的滾動執(zhí)行計劃，是易于實踐的敏捷計劃管理實踐之一。在實際運用中，采取了三天滾動計劃的管理方法，要求變動的計劃申請除限定范圍的緊急需求外，均安排在三天后進行；穩(wěn)定了正常的作業(yè)安排，也使得工作所需的資源準備更加充分。

4 高溫拉伸強度預測

為了迅速定量計算混雜纖維的高溫拉伸強度,在拉伸破壞有限元分析的基礎上,探索建立了高溫拉伸強度預測模型。

4.1 預測模型

由拉伸破壞有限元分析結果可以看出,碳纖維、玻璃纖維、玻璃纖維編織帶對復合材料拉伸強度最大值的影響不同,復合材料破壞時承受的最大載荷表示為:

(1)

式(1)中,F為試樣破壞時承受的最大載荷,n1為碳纖維根數(shù),Tex1為碳纖維線密度,ρ1為碳纖維體密度,σ1為碳纖維拉伸強度極限值;n2為玻璃纖維根數(shù),Tex2為玻璃纖維線密度,ρ2為玻璃纖維體密度,σ2為玻璃纖維應力;n3為玻璃纖維編織帶根數(shù),Tex3為玻璃纖維編織帶線密度,ρ3為玻璃纖維編織帶體密度,σ3為玻璃纖維編織帶應力。

拉伸強度的表達式為:

σ=F/S

(2)

式(2)中,σ為拉伸強度;S為試樣的截面積。

混雜纖維復合材料的拉伸強度預測模型表示為:

(3)

式(3)中，d為混雜纖維復合材料直徑。

4.2 預測模型計算結果與分析

將復合材料的纖維參數(shù)代入預測模型進行計算,并將預測值與5個同一種纖維配比復合材料試樣拉伸試驗值進行對比,其結果表明,拉伸強度預測值的最大相對誤差為2.68%,說明模型精度較高。進而,將不同纖維配比復合材料數(shù)據(jù)代入該預測模型進行計算,并將預測值與拉伸實測值進行對比,其結果如表1所示。

表1 復合材料拉伸強度實測值與預測值對比

從表1可以看出,復合材料高溫拉伸強度預測值的相對誤差為1.26%～7.92%,表明所建預測模型精度較高。

5 結論

a) 對混雜纖維復合材料進行了高溫拉伸強度試驗,結果表明:最外層的玻璃纖維和玻璃纖維編織帶未全部斷裂,說明這部分材料尚未達到強度極限。內層的碳纖維全部發(fā)生斷裂,表明碳纖維承擔了較多的載荷。

b) 有限元分析結果說明,隨著載荷的增加,碳纖維首先斷裂失效,剩余的纖維和樹脂相繼發(fā)生斷裂,繼而計算得出了碳纖維、玻璃纖維、玻璃纖維編織帶對復合材料高溫拉伸強度定量影響程度。

c) 建立了混雜纖維復合材料高溫拉伸強度預測模型,預測值與試驗結果較好吻合,精度達92%以上。