彭嘯，舒展，都濤，徐強

浙江大學(xué) 機械工程學(xué)院 流體動力與機電系統(tǒng)國家重點實驗室，杭州 310027

預(yù)浸料由樹脂基體和增強纖維組成，是制備復(fù)合材料的重要原材料[1]。隨著對先進復(fù)合材料的需求日益增多，傳統(tǒng)的手工鋪放技術(shù)已不能滿足需求[2]。在增加可靠性、提高鋪放效率、減少材料浪費等方面，自動鋪放技術(shù)是重要的后續(xù)研究領(lǐng)域[3-5]。在自動鋪放過程中，預(yù)浸料在黏性作用下逐層鋪放在模具之上[6]，預(yù)浸料黏性和剛度很大程度上決定了鋪層性能[7]。因此，有必要對預(yù)浸料黏性以及剛度進行定量的研究。

目前存在幾種測定預(yù)浸料黏性和剛度的試驗方法[8-10]。其中探針試驗被廣泛使用在壓敏膠(Pressure Sensitive Adhesive, PSA)領(lǐng)域[11-13]和預(yù)浸料領(lǐng)域[14-16]，已成為研究預(yù)浸料黏性的重要試驗方法。Yoshinobu等[17]使用探針試驗研究了預(yù)浸料黏性隨保壓時間、保壓大小、分離速率、溫度等因素的變化規(guī)律。卻未將探針試驗參數(shù)與實際鋪放過程中的工藝參數(shù)對應(yīng)。此外探針試驗無法測量預(yù)浸料的剛度。剝離試驗法因可直接參考自動鋪放工藝參數(shù)作為試驗參數(shù)受到了國內(nèi)外學(xué)者的重視。如Crossley等[18]開發(fā)了一套可以同時測量預(yù)浸料黏性和動態(tài)剛度的剝離試驗裝置，研究預(yù)浸料的黏性和動態(tài)剛度隨溫度的變化規(guī)律，但存在導(dǎo)輥摩擦力過大以及脫輥現(xiàn)象[18]等問題，也未考慮鋪放張力、鋪放速率等工藝參數(shù)的影響。

因此需改進基于鋪放工藝的剝離試驗裝置及探針試驗裝置，以研究鋪放溫度、鋪放速率、鋪放壓力、鋪放張力對黏性及剛度的影響，測定各工藝參數(shù)下的預(yù)浸料黏性與動態(tài)剛度。同時結(jié)合探針試驗與剝離試驗探究兩者的關(guān)聯(lián)。選取內(nèi)聚力模型(Cohesive Zone Model, CZM)表征探針試驗結(jié)果，通過輸入黏性參數(shù)的剝離仿真模型可揭示探針試驗與剝離試驗的內(nèi)在聯(lián)系[19]，這對探究預(yù)浸料實際剝離過程、黏性行為隨工藝參數(shù)的變化規(guī)律以及自動鋪放仿真均有一定的工程意義[20]。

雖然剝離試驗相對簡單，但是對其精準建模有一定的困難[21]。在PSA領(lǐng)域模擬剝離試驗的常見模型有內(nèi)聚力模型[22]、虛擬裂縫閉合模型[23]、臨界應(yīng)力失效模型[24]等，主要研究其黏性而對剝離材料的剛度研究較少。在預(yù)浸料領(lǐng)域剝離建模較少，主要由于預(yù)浸料具有正交各向異性的材料屬性[25]，同時在脫黏機理上缺乏研究[26]。Beakou等[27]對預(yù)浸料建模采用法向剛度Kn描述界面粘接性能，無法完整描述脫黏全過程且與實際界面脫黏過程有差異。因此，通過試驗獲取材料參數(shù)和通過探針試驗得到預(yù)浸料CZM參數(shù)是精準建立預(yù)浸料剝離模型的關(guān)鍵。

本文在現(xiàn)有的剝離試驗裝置基礎(chǔ)上[18]自行設(shè)計了一套用于預(yù)浸料黏性和動態(tài)剛度測量的剝離試驗裝置，引入了鋪放張力，并結(jié)合探針試驗系統(tǒng)地構(gòu)建了一個基于鋪放工藝的預(yù)浸料適宜性測試系統(tǒng)。通過試驗測定預(yù)浸料的材料參數(shù)以及黏性參數(shù)，建立了有限元剝離模型。研究了黏性剝離力與工藝參數(shù)的關(guān)系；研究了剛度剝離力與工藝參數(shù)的關(guān)系；探究了脫輥現(xiàn)象的機理，提出了減輕脫輥程度的方法，并由此給出剝離裝置導(dǎo)輥的合理尺寸。揭示了探針試驗與剝離試驗的內(nèi)在關(guān)系，建立了準確的預(yù)浸料剝離模型，為剝離、自動鋪放仿真提供了參考。

1 預(yù)浸料剝離試驗裝置及試驗方法

本文針對目前已有的剝離試驗裝置進行了優(yōu)化，開發(fā)了一套適用于自動鋪放預(yù)浸料黏性及動態(tài)剛度測定的移動懸臂剝離裝置，其剝離試驗數(shù)據(jù)更加穩(wěn)定和可靠。在實際的自動鋪放鋪層中，鋪放缺陷幾乎都發(fā)生在第一層與預(yù)浸料模具表面之間[18]，因此本文著重于研究模具表面與預(yù)浸料的黏性。如圖1所示，移動懸臂剝離試驗裝置主要由自動鋪放臺和剝離裝置兩部分組成。

圖1 預(yù)浸料剝離試驗及自動鋪放裝置Fig.1 Device for prepreg peel test and automated lay-up process

如圖1(a)所示，剝離過程在深圳三思縱橫UTM2102電子試驗機上進行，可記錄剝離力-位移曲線。連接萬能試驗機升降頭和剝離底板的鋼繩使底板水平前進速率與升降頭速率一致，確保剝離角度恒定為90°。剝離底板的恒力重物載荷可減少導(dǎo)軌的蠕動效應(yīng)，保持剝離力的穩(wěn)定性。此外本裝置將鋪放過程與剝離過程分離，可分別探究鋪放速率以及剝離速率對結(jié)果的影響，這是已有的將鋪放剝離結(jié)合的剝離裝置無法實現(xiàn)的。

如圖1(b)所示，自動鋪放臺可模擬真實鋪放過程，可控制鋪放溫度、鋪放壓力、鋪放速率、鋪放張力等工藝參數(shù)。鋪放溫度由剝離底板上的硅加熱墊片和溫度控制器控制，通過氣缸控制鋪放壓力，通過伺服電機驅(qū)動的滾珠絲杠可控制鋪放速率。通過標準砝碼以及定滑輪對預(yù)浸料施加鋪放張力。

試驗預(yù)浸料均為威海光威USN12500/7901 單向碳纖維預(yù)浸帶，制備試樣寬度為20 mm，厚度為0.11 mm，長度為300 mm，其中用于試驗的有效長度為90 mm。為保證試驗結(jié)果精準性，將預(yù)浸料從冰箱中取出后，均置于室溫20 ℃、濕度50%試驗箱內(nèi)，12 h后再取出試驗。為簡化研究，本文中剝離試驗的剝離速率均為V=100 mm/min，相應(yīng)的探針試驗分離速率也為100 mm/min。為測定預(yù)浸料剛度值與黏性值，采用分段式試驗方法。如圖2所示，剝離段Ⅰ長30 mm、剝離段Ⅱ長60 mm，在剝離段Ⅰ預(yù)浸料下墊有無黏性且很薄的薄膜，可保證剝離段Ⅰ測得的剝離力為剛度剝離力；在剝離段Ⅱ無薄膜，測得剝離力視為黏性值和剛度值疊加，同時在剝離導(dǎo)輥的約束下，剝離段Ⅰ、Ⅱ的剝離半徑不變，故其兩段剛度剝離力值也不變，剝離段Ⅱ力值減去剝離段Ⅰ力值即為黏性剝離力值。通過此試驗方法，可分別得到預(yù)浸料的剛度及黏性表征值，隨后再研究各個工藝參數(shù)下的預(yù)浸料黏性以及剛度的變化規(guī)律。剝離導(dǎo)輥的直徑為10 mm和20 mm，可探究剝離導(dǎo)輥尺寸對剝離結(jié)果的影響。

圖2 預(yù)浸料動態(tài)剛度-黏性剝離試驗方法Fig.2 Prepreg dynamic stiffness and tack peel test method

2 剝離試驗建模

使用有限元(FEM)軟件Abaqus建立了剝離試驗三維模型，對剝離試驗進行更深入的研究，模型主要由三部分構(gòu)成：① 表征預(yù)浸料剛度性能的正交各向異性材料，單元類型為C3D8R；② 表征預(yù)浸料黏性的內(nèi)聚力單元(CZM)，單元類型為COH3D8；③ 為簡化模型，使用解析剛體來表示各向同性彈性材料的剝離底板、剝離導(dǎo)輥等，單元類型為R3D4。

考慮到仿真有復(fù)雜接觸關(guān)系，為了計算易收斂，采用顯式動力學(xué)進行分析。材料的密度均為真實密度，使用分析天平以及螺旋測微儀對預(yù)浸料進行質(zhì)量以及體積測定，計算出預(yù)浸料密度為0.0015 g/mm3。剝離三維模型及其邊界條件如圖3所示，模型使用剝離試驗試樣尺寸，其中剛度部分長30 mm，黏性部分長60 mm。通過CZM單元粘接預(yù)浸料與剝離底板，以模擬實際的脫粘現(xiàn)象以及界面失效情形，同時為簡化模型，所有接觸為無摩擦接觸。邊界約束條件如圖3(b)所示，使用與試驗相同的邊界約束保證剝離角度為90°，同時采用固定鉸鏈約束固定剝離導(dǎo)輥。

對預(yù)浸料和剝離底板施加同幅值位移載荷，預(yù)浸料末端與底板施加相同的幅值載荷以防止滑移的產(chǎn)生。在動態(tài)分析中，網(wǎng)格的密度和仿真時間總長直接決定著計算時間以及結(jié)果穩(wěn)定性，所以對網(wǎng)格密度進行了相應(yīng)的優(yōu)化，分析總時長采取仿真結(jié)果較為穩(wěn)定的120 s，并且檢驗仿真結(jié)果中的系統(tǒng)總內(nèi)能是否遠大于系統(tǒng)總動能，以確保仿真結(jié)果的準確和穩(wěn)定。

剝離模型的關(guān)鍵是材料參數(shù)以及黏性參數(shù)的輸入，通過各向異性材料單元以及CZM單元可系統(tǒng)地表征其剛度和黏性。由于Abaqus中只有雙線性內(nèi)聚力模型，故剝離模型中指數(shù)型CZM單元使用用戶自定義單元(Vectorized User Material,VUMAT)進行編寫，以便輸入與實際探針試驗結(jié)果更吻合的指數(shù)型CZM參數(shù)。

圖3 剝離試驗三維有限元模型及其約束情況Fig.3 Overview of peel test 3D FEM model and its boundary conditions

完整的CZM單元應(yīng)輸入法向參數(shù)以及切向參數(shù)，目前的研究表明在90°剝離中法向CZM參數(shù)占主導(dǎo)地位，切向CZM參數(shù)對于剝離仿真結(jié)果影響很小[28]，可忽略不計。所以在本模型中切向參數(shù)設(shè)定為與法向參數(shù)相同，做簡化處理以忽略切向參數(shù)的影響。完成對預(yù)浸料的材料參數(shù)以及黏性參數(shù)的試驗測定，以完善剝離模型。

3 預(yù)浸料黏性及材料參數(shù)測定試驗

3.1 探針試驗

探針試驗廣泛應(yīng)用于PSA領(lǐng)域與預(yù)浸料領(lǐng)域，其原理是將探針探頭以一定的壓力和時間與待測黏性試樣接觸，隨后以一定的速率將其分離，記錄分離脫黏過程中探頭所受力與分離位移的曲線。但是目前的探針試驗裝置都沒有引入鋪放張力這一自動鋪放過程中重要的工藝參數(shù)。故設(shè)計改進了面向自動鋪放工藝參數(shù)的探針試驗裝置，試驗裝置通過硅加熱片控制溫度，砝碼提供預(yù)浸料張力，電子試驗機試驗機控制壓力及保壓時間，如圖4所示。

圖5為典型的探針試驗分離過程的應(yīng)力-位移結(jié)果曲線,探針溫度20 ℃、保壓時間1.5 s、保持壓力2.94 N、張力4 N。指數(shù)型內(nèi)聚力模型與探針試驗所得試驗曲線匹配程度最為良好[26]。建立指數(shù)型內(nèi)聚力模型需要確定最大分離應(yīng)力σmax以及特征位移δ0。通過對探針試驗結(jié)果進行指數(shù)型CZM擬合，可獲取各個工藝參數(shù)下的指數(shù)型內(nèi)聚力參數(shù)。應(yīng)力-位移曲線所圍成的面積即分離能G，通過G可獨立描述黏性的強弱。

圖4 帶張力的探針試驗裝置Fig.4 Device for probe test under laying tension

在本實驗室之前的研究中已經(jīng)就探針試驗參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)對應(yīng)關(guān)系[26]進行探究。探針試驗參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)對應(yīng)關(guān)系如表1所示，其中探針保壓時間t對應(yīng)鋪放速率V、探針保持壓力P1對應(yīng)鋪放壓力P2、探針溫度T1對應(yīng)鋪放溫度T2。同時為簡化研究，在本文中探針試驗分離速率取100 mm/min。

根據(jù)表1所示，進行各個鋪放工藝參數(shù)對應(yīng)下的探針試驗，獲取剝離模型所需黏性參數(shù)，使得剝離模型可以仿真不同鋪放參數(shù)下的剝離試驗。試驗采用單一變量法，在研究某一變量時其余變量一致且應(yīng)使試驗結(jié)果穩(wěn)定。探針頭部直徑為5 mm。完成20～40 ℃各溫度下的探針試驗，獲取對應(yīng)的CZM參數(shù)σmax以及δ0，試驗擬合結(jié)果及其離散系數(shù)如表2所示，離散系數(shù)(CV)是標準偏差與其均值的比值。探針試驗參數(shù)設(shè)定為保壓時間1.5 s、保持壓力2.94 N、張力4 N(對應(yīng)鋪放速率20 mm/s、鋪放壓力600 N、鋪放張力4 N)。

圖5 分離過程中應(yīng)力-位移曲線與其擬合的指數(shù)型CZMFig.5 Stress-displacement curves during separation step and fitting exponential CZM

表1 探針試驗參數(shù)與鋪放工藝參數(shù)對應(yīng)關(guān)系[26]Table 1 Relationship between probe test parameters andlaying process parameters[26]

t/sV/(mm·s-1)P1/NP2/NT1/℃T2/℃1.5200.98202.520200.75401.9640525250.5602.94607.530300.375803.9381035350.31004.911012.54040

使用砝碼改變張力，完成0～8 N各個張力下的探針試驗。試驗參數(shù)設(shè)定為溫度30 ℃、保壓時間1.5 s、保持壓力2.94 N(對應(yīng)鋪放速率20 mm/s、鋪放壓力600 N)。使用指數(shù)型CZM對探針試驗結(jié)果進行擬合，獲取各個鋪放張力下的黏性參數(shù)。結(jié)果如表3所示。

完成200～1 000 N各個鋪放壓力下的探針試驗。試驗參數(shù)設(shè)定為溫度30 ℃、保壓時間1.5 s、張力4 N(對應(yīng)鋪放速率20 mm/s、鋪放張力4 N)。使用指數(shù)型CZM對探針試驗結(jié)果進行擬合，獲取各個鋪放壓力下的黏性參數(shù)。結(jié)果如表4所示。

表2 不同鋪放溫度下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)Table 2 CZM parameters and coefficients of variationdispersion of prepreg at different laying temperatures

表3不同鋪放張力下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)

Table3CZMparametersandcoefficientofvariationdispersionofprepregunderdifferentlayingtensions

鋪放張力/Nσmax/MPaCV/%δ0/mmCV/%00.099 47.470.102 55.7420.113 23.290.118 74.9540.132 55.570.122 79.6460.149 86.040.130 19.3180.155 48.090.142 110.58

表4 不同鋪放壓力下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)Table 4 CZM parameters and coefficients of variationdispersion of prepreg at different laying pressures

完成20～100 mm/s鋪放速率下的探針試驗。試驗參數(shù)設(shè)定為溫度30 ℃、保持壓力2.94 N、張力4 N(對應(yīng)鋪放壓力600 N、鋪放張力4 N)。試驗所得CZM參數(shù)如表5所示。

表5不同鋪放速率下的預(yù)浸料CZM參數(shù)及其離散系數(shù)

Table5CZMparametersandcoefficientsofvariationdispersionofprepregatdifferentlayingvelocities

鋪放速率/(mm·s-1)σmax/MPaCV/%δ0/mmCV/%200.131 13.410.119 84.52400.112 12.680.103 83.58600.092 89.010.098 08.65800.085 66.520.084 07.571000.078 21.350.071 03.02

3.2 純拉伸試驗

根據(jù)Lukaszewicz[29]的研究，預(yù)浸料在厚度方向被進行短時間壓縮時，可視其為正交各向異性的彈塑性材料。在本文中，主要研究預(yù)浸料的彈性及黏性行為，可簡化地視其為正交各向異性的彈塑性材料并忽略其‘塑性’行為，建立此模型需要9個工程常數(shù)：3個方向彈性模量E1、E2、E3；3個泊松比ν12、ν13、ν23；3個剪切模量G12、G13、G23。1方向為沿纖維方向、2和3方向分別為橫向及厚度方向。同時預(yù)浸料可視為橫觀各向同性材料[20]，即E2=E3、G12=G13，根據(jù)材料力學(xué)公式推導(dǎo)可得式(1):

(1)

考慮到在鋪放溫度(20～50 ℃)下預(yù)浸料中的樹脂呈橡膠固態(tài)(Rubbery State)，此狀態(tài)可視為是不可壓縮態(tài)[30]，由材料力學(xué)可得對于不可壓縮態(tài)的物體，其泊松比約為0.5。因此在只受樹脂影響不受纖維影響的面內(nèi)(即23面內(nèi))，取泊松比ν23=0.49。根據(jù)現(xiàn)有的研究，E1主要由纖維強度決定，因此假定溫度對E1的影響可忽略[27]。綜上所述，9個待測定的工程常數(shù)中需要進行試驗測定的為：E1、E3、G12。

通過純拉伸試驗測定1方向的彈性模量E1。制備長450 mm、寬20 mm的預(yù)浸帶試樣，預(yù)浸料厚度為0.11 mm。其中兩端各125 mm用于專用夾具的夾持，試樣的標距為200 mm。力加載速率分別設(shè)定為50、100、200 N/s，記錄相應(yīng)的應(yīng)力和應(yīng)變曲線。

圖6 加載速率分別為50、100、200 N/s的拉伸試驗結(jié)果Fig.6 Results of tensile tests at load rates of 50, 100, and 200 N/s

3.3 偏軸拉伸試驗

目前預(yù)浸料剪切模量(G12)主要由公式計算和偏軸拉伸試驗求得。其中公式計算需要繁多的預(yù)浸料DMA(Dynamic thermal Mechanical Analysis)測試數(shù)據(jù)。偏軸拉伸可以直觀的獲取其剪切模量，故普遍使用偏軸拉伸進行剪切模量測量。

但是根據(jù)Potter[31]的研究，偏軸拉伸過程中存在剪切變形與橫向拉伸變形。通過對比15°、30°、45°、60°偏軸拉伸試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)：60°偏軸拉伸時，變形過程中纖維方向變化超過10%；45°偏軸拉伸時，變形過程中纖維方向變化超過5%；而15°偏軸拉伸時，變形過程中纖維方向變化在2%以內(nèi)。故認為在45°偏軸拉伸中存在一定量的橫向拉伸變形，而15°偏軸拉伸中的纖維角度變化很小、橫向拉伸行為很小可忽略不計，認為其變形形式為純剪切。同時也對本文使用的預(yù)浸料進行了5°、15°、45°、60°偏軸拉伸試驗，試驗結(jié)果也顯示相似的規(guī)律，如圖7所示，15°偏軸拉伸時角度變化最小。因此本節(jié)采用15°偏軸拉伸試驗測定G12。

制備長150 mm、寬20 mm的預(yù)浸料試樣，試樣厚度為0.11 mm，且保證其纖維方向與長度方向成15°夾角，標距長度為25.359 mm，兩端各25 mm 為試驗機夾持長度。

圖7 試樣在試驗前后的幾何特性Fig.7 Specimen geometry of the off-axis tensile test piece prior to and during test

通過使用紅外加熱燈對預(yù)浸料進行加熱，分別在溫度20～40 ℃下對試樣進行15°偏軸拉伸試驗。同時由于樹脂是率相關(guān)材料，故試驗的拉伸速率簡化地采取和剝離速率以及探針試驗分離速率一樣的100 mm/min。在設(shè)定的溫度下進行15°偏軸拉伸，直至試樣破壞失效。如上文所述，所得偏軸拉伸模量可視為剪切模量G12。試驗結(jié)果顯示隨著溫度上升，剪切模量也隨之下降，每5 ℃ 剪切模量下降約13%，如圖8所示。

圖8 不同溫度下的15°偏軸拉伸試驗結(jié)果Fig.8 Results of 15° off-axis tensile test at different temperatures

3.4 壓縮試驗

采用沿厚度方向的壓縮試驗測定E3。測量單層預(yù)浸料E3存在難度，故準備長20 mm、寬20 mm 并且8層鋪放(總厚度1 mm)的預(yù)浸料試樣。制備預(yù)浸料試樣均采用0°鋪放，并且在室溫20 ℃和一個大氣壓下保壓1 h以消除鋪層帶來的厚度誤差。壓縮試驗使用的壓具和底盤均裝有加熱裝置，通過硅加熱墊片進行溫度控制。

試驗裝置如圖9所示，加載的速率為100 mm/min，進行壓縮試驗，記錄試驗應(yīng)力應(yīng)變曲線。使用Ludwik’s等式[32]對試驗結(jié)果進行擬合，如式(2)所示，得到最大彈性應(yīng)力為

(2)

式中：σ為真實應(yīng)力；εp為應(yīng)變；σy為最大彈性應(yīng)力；A和m為與材料相關(guān)的獨立參數(shù)。

現(xiàn)有的研究表明，在壓縮時間很短時，預(yù)浸料表現(xiàn)彈性行為[29]，故在最大彈性應(yīng)力σy之前可視預(yù)浸料變現(xiàn)出彈性行為，計算試驗結(jié)果中σy之前的彈性模量，視為厚度方向模量E3，擬合結(jié)果所得σy以及試驗計算E3結(jié)果如圖10所示。

綜上所述，通過試驗得到了預(yù)浸料的主要力學(xué)材料參數(shù)：E1、E3、G12。根據(jù)Beakou和Mohamed的研究[33]，12方向的泊松比可通過Puck公式進行推導(dǎo)，得到ν12=0.286，同時視預(yù)浸料為橫觀各向同性材料，故ν12=ν13=0.286。故通過試驗以及計算得到的預(yù)浸料材料參數(shù)如表6所示。

圖9 壓縮試驗裝置Fig.9 Device for prepreg compaction test

圖10 不同溫度下壓縮試驗結(jié)果及擬合最大彈性應(yīng)力Fig.10 Compaction test results and the fitting σy at different temperatures

表6 不同溫度下的預(yù)浸料材料參數(shù)Table 6 Properties of prepreg at various temperatures

溫度/℃E1/GPaE2=E3/MPaG12=G13/MPaG23/MPaν12=ν13ν232011.557.423.85258.425.972.813052.337.125.252.730.2860.49351.294.450.43400.263.970.087

4 剝離模型仿真與試驗對比及分析

4.1 剝離試驗與仿真結(jié)果對比

如圖11所示為典型的剝離仿真結(jié)果，可得在剝離過程中，預(yù)浸料從與CZM單元脫粘處至已剝離段均有較大應(yīng)力，且應(yīng)力值大致相同。脫粘處CZM單元拉伸至單元刪除，且受拉伸的CZM單元主要的變形方向為法向，切向的變形相較于法向可忽略不計，這驗證了于第1節(jié)建模過程中忽略90°剝離中CZM單元的切向行為是正確的。

進行各個工藝參數(shù)下的剝離試驗，對比仿真和試驗結(jié)果，驗證模型的準確性。在10 mm剝離導(dǎo)輥下的剝離試驗與剝離仿真結(jié)果如圖12所示，剝離試驗參數(shù)為30 ℃鋪放溫度、4 N鋪放張力、600 N鋪放壓力、20 mm/s鋪放速率，剝離仿真模型的材料參數(shù)以及黏性參數(shù)均與剝離試驗參數(shù)對應(yīng)。

如圖12所示，典型的試驗結(jié)果顯示從剛度階段(Stiffness Distance)到黏性與剛度階段(Peel Distance)，剝離力有明顯的上升，對應(yīng)的FEM仿真結(jié)果也顯示出相近的曲線。由試驗方案可知，剛度階段試驗值為剛度的表征力值，黏性與剛度階段試驗值為剛度與黏性力剝離力值相加。兩階段相減，其值則為黏性的表征力值。

圖11 在35 ℃鋪放溫度、20 mm/s鋪放速度、 600 N鋪放壓力、0 N張力下的典型的 10 mm導(dǎo)輥剝離仿真云圖Fig.11 FEM results of typical 10 mm peel roller peel test at 35 ℃, 20 mm/s lay-up velocity, 600 N compaction force, and 0 N lay-up tension

圖12 在30 ℃鋪放溫度、20 mm/s鋪放速率、 600 N鋪放壓力、4 N張力下典型的 10 mm導(dǎo)輥剝離結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.12 Typical 10 mm peel roller experimental peel forces and the FEM peel forces at 30 ℃, 20 mm/s lay-up velocity, 600 N compaction force, and 4 N tension force

試驗的兩個階段結(jié)果均來自其剝離力平均值,通過計算可以得到單個試樣試驗結(jié)果的標準偏差σs與組間標準偏差σb。σs、σb分別體現(xiàn)了單個剝離試驗和重復(fù)試驗的穩(wěn)定性。為了保證試驗結(jié)果的準確性，剝離試驗結(jié)果采取單體離散系數(shù)和組間離散系數(shù)均在20%以內(nèi)的數(shù)據(jù)。

由圖12可知，剝離試驗的組間可重復(fù)性良好，且組內(nèi)的數(shù)據(jù)較為穩(wěn)定，沒有劇烈的峰值出現(xiàn)。組內(nèi)、組間離散系數(shù)均在20%以內(nèi)，相比現(xiàn)有的剝離試驗裝置結(jié)果[18]更加平穩(wěn),并且在剝離力值較小時結(jié)果依然穩(wěn)定。

4.2 鋪放工藝參數(shù)分析

溫度對預(yù)浸料黏性有較大影響，同時影響預(yù)浸料的鋪覆性[34]。完成各溫度下的剝離試驗，試驗參數(shù)設(shè)置為鋪放張力4 N、鋪放速度20 mm/s、鋪放壓力600 N、溫度區(qū)間為20～40 ℃。對剝離模型分別輸入相應(yīng)參數(shù)。剝離試驗及仿真黏性、剛度結(jié)果如圖13所示，其中?10 mm TEST表示使用直徑10 mm剝離導(dǎo)輥所得剝離數(shù)據(jù)，?20 mm TEST則使用直徑20 mm剝離導(dǎo)輥。

由圖13可知，隨著溫度上升，預(yù)浸料的剛度下降，除30～35 ℃時剛度下降約35%,其余每增加5 ℃剛度值下降約25%。剛度值隨溫度上升而下降主要是由于纖維軟化和樹脂流動性增強。仿真與試驗吻合程度較好，但隨著溫度增加其仿真數(shù)值相比試驗值偏小，這主要是由于高溫剝離試驗中離開模具板的預(yù)浸料樹脂溫度急速下降導(dǎo)致剛度試驗值偏大。

黏性值先上升后下降在30 ℃左右達到峰值。黏性值隨溫度上升先增大后減小主要是由于失效形式從界面失效轉(zhuǎn)變?yōu)閮?nèi)聚失效[26]，當失效形式為界面失效時，溫度的增加會提高界面樹脂浸潤程度，從而使黏性隨溫度上升而上升。當失效形式為內(nèi)聚失效時，溫度的增加會減低樹脂的內(nèi)聚強度，從而使黏性隨溫度上升而下降。

隨著導(dǎo)輥直徑變大，黏性剝離力增大，剛度值減小。這主要由于預(yù)浸料隨著導(dǎo)輥半徑變大其彎曲程度變小以及剝離區(qū)域增大。在各溫度下試驗所得剛度值及黏性值與仿真結(jié)果均吻合良好，但在20 mm剝離導(dǎo)輥下仿真黏性值與試驗值有一定偏差，同時對10 mm導(dǎo)輥下的仿真黏性值與試驗值在30 ℃時也有偏差，均為仿真值偏大。

預(yù)浸料的剛度值可視為主要與溫度有關(guān)，故在研究鋪放張力、鋪放壓力、鋪放速率仿真時不再重復(fù)表述剛度的仿真結(jié)果。

目前鮮有對鋪放張力與黏性的定量研究，大部分研究均停留在定性的分析其與鋪放質(zhì)量上。如趙聰?shù)萚35]的研究表明，鋪放張力對預(yù)浸料鋪放質(zhì)量與送絲質(zhì)量都有很顯著的影響。故需要對其與黏性的關(guān)系進行定量的試驗。通過對自動鋪放試驗平臺進行改進，引入鋪放張力這一重要工藝參數(shù)。設(shè)置試驗參數(shù)為溫度30 ℃、鋪放壓力600 N、鋪放速率20 mm/s。參照目前自動鋪絲機的張力區(qū)間，設(shè)置0～8 N的鋪放張力。同時對模型輸入對應(yīng)的CZM參數(shù)。試驗與仿真結(jié)果如圖14所示。

圖13 不同溫度下剝離試驗與仿真結(jié)果Fig.13 Peel test and simulation results at different temperatures

由圖14可知，試驗與仿真結(jié)果均表明隨鋪放張力增大其黏性增大，但隨著張力逐漸增大，黏性增大的幅度減小。可見張力對黏性的增強為有限的。適當?shù)膹埩梢允诡A(yù)浸料表面平整，增強樹脂與模具之間的浸潤效果。各鋪放張力下的仿真與試驗結(jié)果吻合程度較好，但隨著張力的增大，兩者的吻合程度逐漸變差。預(yù)浸料剛度值變化不大。

鋪放壓力不僅影響預(yù)浸料的變形，且對其黏性也有較大影響。設(shè)定試驗參數(shù)為溫度30 ℃，鋪放張力4 N、鋪放速率20 mm/s。結(jié)合具體的自動鋪放壓力選擇壓力區(qū)間為200～1 000 N，完成各鋪放壓力下的剝離試驗。對模型輸入對應(yīng)試驗條件的參數(shù)，試驗及仿真結(jié)果如圖15所示。

由圖15可知，試驗與仿真結(jié)果均表明隨鋪放壓力增大其黏性增大，每增加200 N鋪放壓力，黏性力增加約0.25 N。這主要由于壓力增大導(dǎo)致樹脂擠出與模具接觸面積變大，使得黏性變大。預(yù)浸料剛度值變化不大。各鋪放壓力下的仿真與試驗結(jié)果吻合程度較好，但隨著壓力的增大，兩者的吻合程度逐漸變差。

鋪放速率也是重要的自動鋪放工藝參數(shù)。試驗參數(shù)設(shè)定為30 ℃、鋪放張力4 N、鋪放壓力為600 N、鋪放速率研究區(qū)間為20～100 mm/s。完成各鋪放速率下的剝離試驗，試驗及仿真結(jié)果如圖16所示。隨著鋪放速率增大黏性值逐漸降低，每增加20 mm/s鋪放速率，黏性值下降約0.2 N。鋪放速率越快，其壓力作用在樹脂與模具之間的時間越短，故浸潤效果越差，黏性越小。仿真與試驗結(jié)果吻合良好，且隨著鋪放速率減小兩者吻合程度逐漸變差。

圖14 不同鋪放張力下剝離試驗結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.14 Peel test and simulation results at different laying tensions

圖15 不同鋪放壓力下剝離試驗結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.15 Peel test and simulation results at different laying pressures

如圖13～圖16所示，在各工藝參數(shù)下剝離仿真結(jié)果與試驗結(jié)果吻合程度良好，驗證了剝離模型的準確性，支持了試驗獲取的材料參數(shù)及CZM參數(shù)的可靠性，也表明了通過預(yù)浸料剝離模型及內(nèi)聚力模型聯(lián)系探針和剝離試驗的方法是可行的。構(gòu)建了探針與剝離相結(jié)合的預(yù)浸料鋪放適宜性測試系統(tǒng)。建立了準確的預(yù)浸料剝離模型，為剝離、自動鋪放仿真提供了參考。

圖16 不同鋪放速率下剝離試驗結(jié)果與仿真結(jié)果Fig.16 Peel test and simulation results at different laying velocities

4.3 脫輥現(xiàn)象

對比剝離試驗與仿真結(jié)果可得在大部分工藝參數(shù)下，仿真結(jié)果和試驗結(jié)果的吻合程度良好。但當預(yù)浸料黏性值較大時仿真結(jié)果與試驗值有偏差，此時仿真結(jié)果偏大。通過觀察試驗現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)，仿真黏性剝離力的偏差主要來源于脫輥(Deviation in Bending Radius)現(xiàn)象[18]。

脫輥現(xiàn)象是指剝離過程中，由于預(yù)浸料與剝離底板黏性過大，剝離區(qū)域半徑R0與剝離導(dǎo)輥半徑R有較大偏差的現(xiàn)象。如圖17所示，在鋪放溫度30 ℃時，預(yù)浸料黏性較大，脫輥現(xiàn)象較為明顯。此外相較于直徑10 mm導(dǎo)輥，直徑20 mm導(dǎo)輥剝離過程中發(fā)生的脫輥現(xiàn)象更為明顯。仿真結(jié)果也出現(xiàn)了相應(yīng)的脫輥現(xiàn)象，但由于設(shè)置預(yù)浸料上升與底板前進速率相等，所以脫輥程度較試驗脫輥程度小。

在剝離試驗中發(fā)生脫輥現(xiàn)象會導(dǎo)致剝離試驗中剝離段Ⅰ、Ⅱ的剛度剝離力不一致，使得通過兩個階段相減得到的黏性剝離力不真實。所以當脫輥現(xiàn)象較為明顯時，黏性測量值不再準確。誤差的大小可以通過空隙面積S表征，如圖18所示。

脫輥空隙面積S與剝離導(dǎo)輥半徑R的關(guān)系如式(3)所示。

(3)

圖17 剝離試驗及仿真中的脫輥現(xiàn)象Fig.17 Release of peel roller during peel test and simulation

圖18 脫輥現(xiàn)象的幾何學(xué)分析Fig.18 Geometry analysis of release of peel roller

式中：R為剝離導(dǎo)輥半徑；R0為剝離區(qū)域半徑；S為脫輥空隙面積。

通過式(3)可以發(fā)現(xiàn)，空隙面積S隨剝離導(dǎo)輥半徑R增大而上升。剝離區(qū)域半徑R0由預(yù)浸料以及試驗參數(shù)決定。通過減小剝離導(dǎo)輥半徑R可以降低S，從而減小脫輥程度。從圖17可觀察到，10 mm導(dǎo)輥剝離試驗中脫輥的程度小于20 mm 導(dǎo)輥試驗，證明減小導(dǎo)輥半徑可減輕脫輥程度。但是當剝離導(dǎo)輥過小時(小于R0時)，則無法對剝離半徑區(qū)域起到約束作用，故合理的剝離導(dǎo)輥半徑應(yīng)是在大于或等于R0，即R≥R0。

在剝離試驗中工藝參數(shù)變化會引起黏性變化，此時由預(yù)浸料自身決定的剝離區(qū)域半徑R0也會隨之變化，變化區(qū)間為R0min～R0max。為了約束剝離區(qū)域半徑，應(yīng)使R≥R0max，再出于降低脫輥空隙面積S考慮，導(dǎo)輥半徑R應(yīng)最小。故合理的剝離導(dǎo)輥半徑應(yīng)為R=R0max。

通過剝離仿真模型，輸入各參數(shù)下的材料及黏性參數(shù)，得到無導(dǎo)輥的預(yù)浸料最大剝離區(qū)域曲率半徑R0max，此半徑即為導(dǎo)輥的合理半徑。對本文使用的預(yù)浸料，通過仿真得到各參數(shù)下無導(dǎo)輥剝離半徑，在黏性最低的40 ℃時有最大的剝離區(qū)域曲率半徑為3～7 mm。本試驗使用的直徑10 mm導(dǎo)輥尺寸在合理半徑范圍內(nèi)，相較于不合理的直徑20 mm導(dǎo)輥其脫輥現(xiàn)象明顯減弱。故選取合理剝離導(dǎo)輥尺寸，可提高剝離試驗精度、準確測定黏性剝離力，具有一定的工程實際意義。

5 結(jié) 論

1) 設(shè)計改進了適用于自動鋪放條件下預(yù)浸料與模具之間動態(tài)剛度、黏性測定的剝離試驗裝置。利用此裝置測定了預(yù)浸料動態(tài)剛度、黏性隨工藝參數(shù)包括溫度、鋪放張力、鋪放速率、鋪放壓力的變化規(guī)律。結(jié)合探針試驗構(gòu)建了探針與剝離相結(jié)合的預(yù)浸料鋪放適宜性測試系統(tǒng)。

2) 通過拉伸試驗、壓縮試驗、探針試驗測得了預(yù)浸料的材料及CZM參數(shù)，據(jù)此建立了預(yù)浸料的剝離仿真模型，揭示了探針試驗與剝離試驗的內(nèi)在聯(lián)系，并與剝離試驗結(jié)果對比，兩者在剛度以及黏性剝離力值上均吻合良好，差異均在20%以內(nèi)，驗證了通過材料屬性試驗及探針試驗建立的預(yù)浸料模型是精準、可靠的。

3) 剝離試驗中預(yù)浸料剛度隨剝離導(dǎo)輥尺寸增大而下降，隨著導(dǎo)輥直徑從10 mm到20 mm下降了40%；隨溫度增加，剛度值下降，除30～35 ℃時剛度下降約35%,其余溫度每增加5 ℃剛度值下降約25%；隨鋪放張力、鋪放壓力及鋪放速率改變變化不明顯。

4) 剝離試驗中預(yù)浸料黏性隨剝離導(dǎo)輥尺寸增大而增加，隨溫度上升先增加后減小，在30 ℃左右時達到峰值；隨鋪放張力增加而增加，在張力0～6 N之間，每增加2 N張力，黏性值增加約0.23 N。但當鋪放張力達到較大值時，黏性增加的幅度減小。隨鋪放壓力增加而增加，每增加200 N鋪放壓力，黏性值增加約0.25 N；隨鋪放速率增大而減小，每增加20 mm/s鋪放速率，黏性值減小約0.2 N。

5) 解釋并探究了剝離試驗中普遍存在的脫輥現(xiàn)象。發(fā)現(xiàn)其在預(yù)浸料黏性值越大時越易出現(xiàn)，對其產(chǎn)生機理進行了研究，給出了剝離試驗中導(dǎo)輥合理尺寸的計算途徑，計算得到了USN12500/7901預(yù)浸料的剝離導(dǎo)輥合理直徑范圍為6～14 mm，提高了剝離試驗的精確性。