聚乳酸夹层圆筒结构吸能特性实验与分析_欧笛声.pdf

第 卷第 期 年 月广 州 化 工 .聚乳酸夹层圆筒结构吸能特性实验与分析欧笛声，姚佳祥（广西科技大学创新创业学院，工程实践与创新教育中心，广西 柳州；广西科技大学机械与汽车工程学院，广西 柳州）摘 要：基于不同夹层薄壁圆筒结构吸能特性讨论的需要，构造折线、圆弧、正弦、摆线 种夹层形式，以夹层形状、夹层厚度及内外圆筒壁厚为影响因素制订正交试验。采用熔融沉积方法制作聚乳酸试件，在万能试验机上进行轴向压缩实验。由应力应变曲线分析可知，圆弧夹层圆筒结构在弹塑性阶段的应变能密度较高；而综合弹塑性和屈曲阶段，折线夹层为最佳，.的夹层厚度和内外圆筒壁厚构成其最佳参数组合，与无夹层圆筒相比，应变能密度可提高。关键词：夹层薄壁圆筒；熔融沉积成型；聚乳酸；正交试验；轴向压缩实验；应变能密度中图分类号：文献标志码：文章编号：（）基金项目：广西科技大学博士基金项目（校科博）。第一作者：欧笛声（），男，博士，教授，从事机械设计与优化研究。通讯作者：姚佳祥（），男，硕士生，从事机械设计与优化研究。，（，；，）：，.，.，.，.，.，.：；薄壁结构以其成本低、吸能率高、结构轻便等特点，被广泛应用在汽车、航空航天以及建筑等领域，充当物体的吸能装置。目前，国内外学者主要从截面形状、填充材料等方面对薄壁结构进行研究。王婷婷等在构造多种截面形状吸能盒的基础上，用有限元方法分析其吸能性，采用响应面法进行轻量化设计。等从填充材料方面研究薄壁结构的耐撞性，等从薄壁结构的 横 截 面 形 式 讨 论 其 耐 撞 性。和李思超等采用非线性有限元模拟了空芯和泡沫铝填充金属薄壁管在轴向与斜向加压过程中的吸能特性。等讨论了正弦夹层薄壁铝合金管的耐撞性及其优化设计。莫易敏等通过对不同截面形状的薄壁钢梁进行碰撞模拟分析，认为改变截面形状增加折叠单元可以有效提高薄壁梁的吸能能力。王鑫等分析了薄壁结构在压缩成型过程中的影响因素，周蕊等讨论了熔融沉积法成型薄壁结构的工艺参数对其力学性能的影响，等讨论了碳纤维和玻璃纤维填充对 打印薄壁管性能的影响。王宏权等对蜂窝夹芯圆管结构的压溃性能进行了讨论，认为薄壁结构的变形模式不可控。夹层薄壁结构的吸能性能得到较好的验证，各种夹层结构形式与快速成型工艺也开展了较广泛讨论。其优化方面主要集中在结构参数优化，截面形状还主要是性能对比分析，夹层形状与结构参数的同时优化还有待深入探讨。第 卷第 期欧笛声，等：聚乳酸夹层圆筒结构吸能特性实验与分析 本文针对夹层形状及结构参数同时优选的问题，设定折线、圆弧、正弦、摆线 种夹层形状，混合夹层厚度以及内外圆筒的壁厚为影响因素制订正交试验方案。用熔融沉积成型技术制备聚乳酸实验试样，在数值万能试验机上实测结构的应力应变曲线，对比讨论结构的吸能性能和变形模式。以应变能密度最大化为目标确定最佳夹层形状与结构参数。实验规范.试样制备与压缩实验内外圆筒之间的夹层分别设为正弦（）、折线（）、圆弧（）、摆线（）种形式。设试样的外圆筒中径为 ，内圆筒中径为 ，圆筒高度 ，夹层厚度、外圆筒壁厚 以及内圆筒壁厚 为可变量，图 为夹层薄壁结构示意图。图 试样结构.试样采用聚乳酸材料在数控熔融沉积式 打印机上制备，如图（）所示。打印层高设为.，走丝宽度.，打印温度为 ，填充率。压缩实验在微机控制电子万能试验机上进行，实验平台如图（）所示。设备加载速率设为 ，试样在连续压缩过程中经弹性、塑性和屈曲变形 个阶段，直至压力由降转升时终止实验。图 实验装置.圆筒结构性能评价指标为考查夹层薄壁结构在弹性、塑性和屈曲变形过程中单位体积的吸能能力，设定应变能密度为评价指标。即设 为结构总体应变能密度，为弹性应变能密度，为塑性应变能密度，为屈曲应变能密度。则有：（）式中，为轴向应力，为轴向应变。正交试验.正交试验方案鉴于本文的夹层形状为 个离散因素，将夹层厚度和内外圆筒壁厚也离散为 个水平，设定如表 的 试验因素水平。其中，表示夹层形状，为外层圆筒壁厚，为内层圆筒壁厚，为夹层厚度。为提高试验效率，制订表 的（）正交试验方案，并列出实测的总体应变能密度。表 试验因素水平 .表 正交试验方案 （）.极差分析为确定各因素对应变能密度大小的影响水平，优选出最佳的夹层形状与结构参数，以下用极差分析法来讨论。即：（）（）（）（）式中，表示第 因素在第 水平的 次试验的应变能密度之和。表示相应的平均应变能密度，为 值的极差。由表 的 值各可知，、和 各因素的最优水平分别为、和，构成夹层形状和结构参数的最佳组合。即：夹层为折线型，夹层厚度和内外圆筒壁厚均为.的组合。由极差 值的大小可知，对夹层圆筒结构的应变能密度影响的大小顺序为：外层圆筒壁厚、夹层形状、夹层厚度、内层圆筒壁厚。广 州 化 工 年 月表 极差分析 .结果验证依据极差分析所得的最佳组合方案，先对比分析夹层形状对圆筒结构力学特性的影响，再对比分析结构参数对折线夹层圆筒结构力学特性的影响。.不同夹层形状的压缩性能制作夹层厚度和内外圆筒壁厚均为.，且夹层形状不同的圆筒结构，以及无夹层（）圆筒结构，实测其压缩性能，见表。其中，为屈服应力，表示屈曲应力。图 给出实测的应力应变曲线。表 不同夹层圆筒的压缩性能 .（）.由表 可知，折线和圆弧夹层结构的屈服应力和屈曲应力均高于其它夹层形式和无夹层圆筒结构。折线和圆弧夹层结构的总体应变能密度分别比无夹层圆筒结构的高 和。从弹性、塑性和屈曲整个变形阶段来考虑，折线夹层圆筒结构的应变能密度最高；仅考虑弹性和塑性变形时，则圆弧夹层圆筒结构的应变能密度较高。另外，由图 可知，在弹性变形阶段，应力应变呈斜率较大的近线性关系，圆弧和折线夹层的弹性极限较高。进入塑性变形后，曲线较平缓地上升至屈曲现象开始出现。在屈曲变形阶段，夹层薄壁圆筒结构能承受一定的载荷，仍能吸收较大的应变能；而折线夹层结构的抗屈曲能力逐渐强于圆弧夹层结构，总体吸能的能力较好。相对而言，摆线夹层圆筒结构的塑性变形阶段较短，在出现屈曲现象之后，其承载能力快速下降，只能吸收少量的应变能。图 应力应变曲线.实验中出现两种不同的局部屈曲模式。其一，外层圆筒同时出现向内折叠和向外凸起的屈曲现象，如图（）所示。该现象出现在夹层分布较稀疏的摆线夹层结构中，是夹层支撑刚度不足所至。其二，外层圆筒仅出现向外鼓起的屈曲现象，如图（）所示。该现象出现在夹层分布较致密的折线、正弦和圆弧夹层结构中，夹层支撑刚度充足。实验中还出现两种不同的开裂模式。其一，外层圆筒出现横向开裂，如图（）所示。该现象出现在外层圆筒厚度大于夹层厚度的情形，外层圆筒抗裂的能力较好，仅在打印层与层之间出现裂纹。其二，外层圆筒出现纵向开裂，如图（）所示。该现象出现在外层圆筒厚度小于夹层厚度的情形，外层圆筒抗裂的能力较弱。图 屈曲与开裂模式.不同结构参数的压缩性能制作折线夹层圆筒结构，其夹层厚度和内外圆筒壁厚从.到.，实测其压缩性能，见表。由该表可知，夹层厚度和内外圆筒壁厚均为.的折线夹层圆筒结构，其屈服应力、屈曲应力和总体应变能密度仍是最佳的；随夹层厚度和内外圆筒壁厚的增加，折线夹层圆筒结构的压缩性能反而下降。表 不同壁厚的压缩性能 .（）.结 论以 的聚乳酸夹层薄壁圆筒为基础，通过对折线、圆弧、正弦和摆线夹层薄壁圆筒结构的正交试验与压缩性能实验，可得以下结论：（）通过正交试验，可获得夹层形状和结构参数的最佳组合，即：折线为最佳夹层形式，.的夹层厚度和内外圆筒壁厚构成其最佳参数组合。可使无夹层圆筒结构的总体应变能密度由.提升至折线夹层薄壁圆筒结构下的.，提高了；（）在最佳结构参数情形下，圆弧夹层圆筒结构的屈服应力和屈曲应力要高于其它夹层结构，即仅就弹性和塑性变形阶段而言，圆弧夹层圆筒结构的应变能密度要高于其它夹层结构。而从弹性、塑性和屈曲整个变形阶段来说，折线夹层圆筒结构的应变能密度要高于其它夹层结构；（）夹层支撑刚度充足时，屈曲使外层圆筒向外鼓起；夹层支撑刚度不足时，屈曲会同时使外层圆筒向内折叠和向外凸起。在屈曲变形的后期，若外层圆筒厚度小于夹层厚度，外层圆筒会出现纵向开裂；反之，外层圆筒会出现横向开裂。（下转第 页）广 州 化 工 年 月.上游产品精制装置优化操作，抑制杂质进入气体分馏装置各炼厂中产品精制装置胺液发泡情况较为常见，需解决胺液发泡问题，避免液化气携带胺液、碱液等杂质进入气体分馏装置。.严格控制氧含量丁二烯与氧气反应生成的过氧化物，将促使生成橡胶聚合物。氧含量的控制也尤为重要。.原料中氧含量控制上游产品精制装置液化气水洗水可由除盐水改为使用除氧水。除盐水中氧含量约为 ，改为除氧水可将氧含量降低至小于 。产品精制装置碱液再生部分通常采用碱液与空气氧化反应再生工艺，碱液中微溶的氧气在.压力下可达到 ，这部分氧气可随液化气进入气分装置。可以通过增设脱氧罐来降低碱液中氧含量（内部为海绵铁滤芯，铁与氧气、水反应生成氧化铁）。.检修后氧含量控制装置在检修后，系统氧气需置换彻底，建议氮气置换氧气含量低于.（），并加强对各管线设备盲端、各仪表短管及排凝的置换。.提高脱丙烷塔底重沸器检修质量检修时，脱丙烷塔底重沸器清焦彻底，避免残留物重新进入系统诱发结焦；同时应避免丁二烯系统中铁锈的存在，在装置开车前需对设备进行除锈，必要时可采取化学药剂钝化处理，避免系统内铁锈等杂质加速丁二烯自聚反应。.加注阻聚剂添加阻聚剂可防止丁二烯聚合，减少活性自由基，使自由基反应链终止，分散已经形成的聚合物。针对不同的装置、不同的易结焦部位，应选用不同功能的阻聚剂，通常选择在塔进料线和塔底重沸器入口位置加注阻聚剂。但阻聚剂的使用在丁二烯含量高的装置中较为常见，对气体分馏装置阻聚效果不明显。.优化工艺流程目前国内催化裂解装置增多，液化气中丁二烯含量高易产生自聚的问题将较为常见，本文也提出几点流程优化建议：（）采用双脱丙烷塔流程高、低压双脱丙烷塔流程在乙烯装置、装置中较为常见。采用双塔流程降低塔釜温度，可有效减轻重沸器的结焦现象（）采用前脱丙烷流程采用前脱丙烷流程，即提前将 与 及以下组分分离，把 组分作为轻组分从下游塔顶分离，可有效避免 组分的高温环境，抑制丁二烯聚合结焦。前脱丙烷在重油催化裂化、装置较为常见，结 论（）气体分馏装置脱丙烷塔底重沸器管束结焦的主要原因为原料中丁二烯自聚以及原料液化气携带液体、水、氧气等杂质导致；（）缓解脱丙烷塔底重沸器结焦可以采取降低脱丙烷塔压力、降低脱丙烷塔底重沸器热源温度、降低液化气氧含量、提高开工前氧气置换质量等办法，同时应避免液化气携带胺液、碱液；（）从根本上解决丁二烯自聚，可以采取双脱丙烷塔、前脱丙烷的工艺流程。参考文献 罗军，李建军，修志强.顺丁橡胶溶剂回收装置丁二烯自聚风险分析及预防措施合成橡胶工业，（）：.刘艳杰，隋军，胡泽山，等.丁苯橡胶装置中丁二烯自聚物的产生及预防弹性体，（）：.徐波，周燕.对气体分馏装置重复器结焦原因的研究化工管理，（）：.张繁明，朱建华，董晓坤，等.气体分馏装置重沸器结焦原因剖析石油炼制与化工，（）：.赵唯，辛江，吴德娟，刘骁.一种高低压脱丙烷塔改造方案当代化工，（）：.（上接第 页）参考文献 王婷婷，张姗，秦东晨，等.基于耐撞性的汽车多腔结构吸能盒轻量化设计机械设计与制造，（）：.，.，（）：.，.，（）：.，.，（）：.李思超，杨旭东，安涛，等.泡沫铝填充薄壁管复合结构压缩与吸能性能航空材料学报，（）：.，.，（）：.莫易敏，石志华，苏东，等.不同截面形状薄壁梁的轴向吸能特性研究机械设计与制造，（）：.王鑫，杜林芳，李寒琪.薄壁制品微结构充填注射压缩成型中关键因素分析中国塑料，（）：.周蕊，杨利，郭韬，等.基于 的薄壁结构零件打印工艺分析与研究机械设计，（）：.，.，：.王宏权，王耀，王士龙，等.打印随机蜂窝夹芯圆管结构的准静态轴向压溃性能研究实验力学，（）：.