復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的主要承載材料為纖維,纖維方向的可設(shè)計(jì)性是其特點(diǎn)之一。迄今為止,對(duì)預(yù)浸料鋪疊成型復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維方向的定義都很籠統(tǒng),一般只是規(guī)定了結(jié)構(gòu)中某一點(diǎn)的纖維方向,其余纖維并行鋪放(圖1)。本課題基于對(duì)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中某一組合單元在指定方向上應(yīng)具有最大承載能力的要求,提出了纖維路徑的概念,并由每層纖維并行排列、連續(xù)纖維均布性、纖維面密度值固定的規(guī)定,引申出每層纖維的連續(xù)性和連續(xù)纖維均布性指標(biāo),提出了最大鋪疊寬度和最小鋪疊寬度的工藝參數(shù),并針對(duì)一些典型曲面的纖維路徑提出了鋪疊工藝的實(shí)施方法。
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維路徑
1 纖維路徑的定義
飛行器復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的主要功能是傳載和承載,由纖維和樹(shù)脂組成。基于此,以0°為例,飛行器結(jié)構(gòu)中復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中的纖維路徑可定義為:某一層某一根的纖維路徑都應(yīng)與這一層的主應(yīng)力一致。
copyright 123456
在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中,纖維是主要承載材料,纖維只有在張緊狀態(tài)下才能承受最大載荷。纖維張緊時(shí),其路徑是曲面上最短的,而曲面上最短的距離一定是測(cè)地線。因此,對(duì)于圖2中結(jié)構(gòu)的某一層而言,以0°為例,結(jié)構(gòu)的2 邊受到載荷時(shí),這一層的每根纖維只有按照測(cè)地線分布和排列時(shí),才能使得纖維繃緊并承受最大載荷,即與此點(diǎn)主應(yīng)力一致(圖3)。
2 纖維面密度為定值時(shí)的纖維路徑
1.1 纖維路徑的定義
鋪覆型面上的某一層纖維時(shí),采用的是纖維面密度為定值、各束纖維并行排列并有一定寬度的預(yù)浸料或簾子布,這里不考慮預(yù)浸料中并行纖維之間不能滑移的問(wèn)題,即并行纖維之間可滑移。每層纖維的面密度為定值,所以有一定寬度的連續(xù)纖維在曲面上的排列為主應(yīng)力方向時(shí),某些區(qū)域?qū)⒂锌p隙存在,這一區(qū)域只能由斷纖維填充,并在此區(qū)域做適當(dāng)?shù)难a(bǔ)強(qiáng)。
123456
曲面上復(fù)合材料的某一層的纖維面密度為定值時(shí)纖維的路徑定義如下:先確定曲面上各個(gè)區(qū)域的連續(xù)纖維的寬度,此寬度必須近似可展,按此寬度的位置在各個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域上做測(cè)地線,這些測(cè)地線即為這些連續(xù)纖維的路徑,斷纖維方向應(yīng)盡量與連續(xù)纖維路徑一致。
1.2 纖維之間不能滑移時(shí)纖維路徑的定義
曲面上復(fù)合材料的某一層的纖維面密度為定值且預(yù)浸料中的并行纖維之間不能滑移時(shí),纖維的路徑定義如下:先確定曲面上各個(gè)區(qū)域的連續(xù)纖維的寬度,且此寬度必須近似可展,按此寬度的位置在各個(gè)對(duì)應(yīng)區(qū)域上做測(cè)地線,這些測(cè)地線即為這些連續(xù)纖維的路徑,斷纖維方向應(yīng)盡量與連續(xù)纖維路徑一致。
由于纖維是有最小帶寬的物質(zhì),在不交疊的情況下不可能完全按照理想的纖維路徑鋪放,在路徑密集的地方就需要進(jìn)行處理。如果零件厚度不增加,纖維通過(guò)這一截面的根數(shù)是一定的,由于截面面積的改變,所以這種處理只有是切斷纖維。
123,123
這樣,根據(jù)前面2 種定義,纖維在通過(guò)這一截面時(shí)可保證連續(xù)纖維數(shù)量的最大值。
(1)纖維路徑的偏差。
選定各個(gè)區(qū)域連續(xù)纖維的寬度對(duì)纖維方向的一致性具有影響,寬度越大,與對(duì)應(yīng)測(cè)地線的偏離就越大,表明纖維方向的一致性差。實(shí)際上纖維寬度為1 束纖維時(shí),此偏差最小。
(2)各個(gè)鋪層連續(xù)纖維均布性。
同理,選定各個(gè)區(qū)域連續(xù)纖維的寬度對(duì)纖維連續(xù)性和斷纖維的均布性也有影響,此寬度纖維方向的偏離自然會(huì)影響到連續(xù)纖維的量,與纖維之間能滑移情況的連續(xù)纖維量偏差大,表明纖維連續(xù)性差,斷纖維的均布性也差;反之,表明纖維連續(xù)性好,斷纖維的均布性也好。當(dāng)為1 束纖維時(shí),此偏差最小。
(3)纖維的最小展開(kāi)寬度。
纖維面密度為定值時(shí),纖維的最小展開(kāi)寬度為1 束纖維的寬度。顯然,在此寬度下不用考慮纖維之間的滑移,這也是將纖維的最高效率充分發(fā)揮出來(lái)的寬度,由于手工鋪覆這一寬度的效率太低,質(zhì)量一致性也很難保證,因此發(fā)明了鋪絲機(jī)。
123,123
纖維鋪放的實(shí)際情況
鋪疊所用材料為預(yù)浸料,由于纖維具有帶寬,不能完全按照理想的纖維路徑(圖4)進(jìn)行鋪放,因此按照理想路線進(jìn)行最近似的處理。將鋪層分成條狀鋪疊,2 條邊界都為理想的纖維路徑,但是這條狀鋪層纖維路徑按照某條邊界完全連續(xù),斷纖維的端頭將集中分布于另一條邊界上(圖5)。這樣1 個(gè)鋪層中是由若干條這樣的條狀鋪層拼接而成,斷纖維和連續(xù)纖維將在鋪層中交替鋪放(圖6 和圖7)。
根據(jù)籠統(tǒng)的定義,明顯斷纖維集中分布于零件的兩側(cè)??梢允箶嗬w維和連續(xù)纖維在鋪層中交替,并且可以控制這種交替的頻率使斷纖維和連續(xù)纖維趨于均勻。
條狀鋪層的裁剪 copyright 123456
條狀鋪層的寬度要根據(jù)零件的外形制定,其根本宗旨是保證鋪層中纖維連續(xù)和均勻,并且使得操作最方便。
(1)確定鋪層帶寬。
帶寬的選擇要滿足:
·小于鋪疊最大帶寬;
·整個(gè)條狀鋪層能按規(guī)定路徑全
部貼敷于鋪疊曲面上;
·適合鋪疊。
(2)條狀鋪層的邊界選取。
·在最小截面線上取一點(diǎn),然后根據(jù)確定的帶寬取點(diǎn),直至截面線的邊界;
·過(guò)這些點(diǎn),以受力方向?yàn)橐龑?dǎo)方向,以零件的鋪疊面為支持面,做測(cè)地線;
·根據(jù)這些線在鋪疊面上分割鋪層;
·將這些分割后的鋪層展開(kāi)成平面,所得形狀即為所需條狀鋪層的外形;
·在厚度方向上,每層上的拼接線都盡量錯(cuò)開(kāi)一定距離,不要在沿厚度方向上重合(圖8)。
內(nèi)容來(lái)自123456
3)45°和90°的纖維路徑。
45 °的理想纖維路徑是45 °應(yīng)力方向,90 °的理想纖維路徑是90°應(yīng)力方向。
新方法的意義
復(fù)合材料結(jié)構(gòu)中承載纖維的關(guān)鍵是要連續(xù)和繃緊。有一種曲面鋪疊方法是將等高線做為基準(zhǔn),其具體做法是用一組平行的平面去切割曲面,將交線做為鋪層的基準(zhǔn)方向并且作為小鋪層的拼接線。這種方法對(duì)于平面是正確的,但是對(duì)于曲面時(shí)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題,在鋪疊并排的小鋪層時(shí)會(huì)出現(xiàn)不規(guī)則形狀,在預(yù)浸料的邊緣出現(xiàn)大量的斷纖維,有的地方甚至所有的纖維都是斷的,這種現(xiàn)象會(huì)隨曲率的變化而加劇。顯然,斷了的纖維不能傳遞載荷,只有在垂直于切割平面的附近的纖維是連續(xù)的,這種方法不合理(圖9、圖10)。
本文來(lái)自123
此方法并沒(méi)有增加連續(xù)纖維的數(shù)量,由于對(duì)于一層來(lái)說(shuō)厚度不能增加,所以這個(gè)曲面的最小截面決定了其連續(xù)纖維的數(shù)量。但是增加的是繃緊的連續(xù)纖維的數(shù)量,理想的情況是所有連續(xù)的纖維都繃緊。如果某處曲率變化較大,則需要采取相應(yīng)的措施。
同時(shí)此方法利用現(xiàn)有的設(shè)備,路徑的細(xì)化、預(yù)浸料的切割、鋪疊中的定位都可以解決,而且鋪層鋪疊時(shí)變形小、容易鋪疊,這樣在工程化生產(chǎn)中其質(zhì)量一致性完全可以保證,如果將此方法進(jìn)一步推廣,采用自動(dòng)鋪疊設(shè)備完成則更加合理。
結(jié)束語(yǔ)
按照上述新方法可以部分解決雙曲面的纖維路徑和鋪疊之間的關(guān)系,尤其是機(jī)身和整體結(jié)構(gòu)。
單位:北京航空制造工程研究所 作者:薛向晨 梁憲珠 常海峰 張西偉