含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理.pdf

第 卷 第 期 年 月现代纺织技术 .:.含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理邱海飞(西京学院机械工程学院西安)摘 要:为提升织机开口系统工作效能将层压板理论与复合材料综框设计相结合以环氧碳纤维预浸布料与蜂窝芯材为制备原料通过 协同仿真环境及其 模块构建非对称层压板铺层方案开发了一种基于夹芯分层的碳纤维复合材料综框仿真模型 根据开口系统等效力学模型对弹簧回综力、凸轮提综力及纱线张力进行分析计算以此实现碳纤维综框的有限元建模与力学性能仿真(包括静态特性、层间正应力、破坏形式及失效次序等)结果表明:在横梁与边梁连接区域存在较大应力分布最大 应力约.在相同铺层工艺条件下上横梁的纤维层间正应力明显大于下横梁横向剪切应力对中间蜂窝芯材影响相对较小正应力、是影响综框疲劳强度的重要因素单块层压板纤维层的失效次序为:失效危险区最大逆储备因子约.为复合材料综框的设计创新与技术应用提供了有力借鉴关键词:层压板综框碳纤维失效有限元 准则中图分类号:.文献标志码:文章编号:()收稿日期:网络出版日期:基金项目:陕西省教育厅专项科研计划资助项目()西京学院高层次人才专项基金资助项目()西京学院横向课题资助项目()作者简介:邱海飞()男西安人副教授硕士主要从事机械系统动态设计和机电产品数字化方面的研究 综框是织机开口系统的核心运动部件其工作性能对于织物质量、生产效率及车间环境等具有重要影响 理想的综框专用件应具备质量轻、强度高、抗疲劳性好等特点然而随着现代棉纺织设备的快速发展与技术进步以往采用较多的铝合金综框已不能适应现代新型高速织机的生产要求碳纤维增强复合材料具有十分优异的机械物理性能如质量轻、比模量和比强度高、抗疲劳性强等 通过将碳纤维复合材料应用于新型综框的设计与制备不仅可使相同规格的综框重量减轻约 而且能大幅降低织造生产中的惯性载荷与振动噪声对于织机系统节能降耗、减轻磨损等具有重要现实意义其性能优势已在以往研究与实践应用中得到印证例如井口博一等通过实验研究发现在相同织机车速下碳纤维复合材料综框引发的振动噪声和机件磨损量明显低于钢质综框 等通过脉冲频率响应实验发现相对于铝合金材质综框碳纤维复合材料综框在纵向和横向的固有频率分别提高了 和 此外一些国际知名厂商也都在积极致力于复合材料综框的探索与研发如瑞士 公司、西德施迈恩格兄弟公司()、美国钢综制造公司()等在这一领域也取得了多项进展和实践性成果由于设计理论、制备工艺及研发成本等诸多因素影响这种基于碳纤维增强的新型复合材料综框还未在行业内实现大规模普及从目前技术现状与应用前景来看复合材料综框仍具有巨大的发展潜力和探索空间 综上本文以层压板理论及其制备工艺为依据设计一种基于碳纤维增强的夹芯结构复合材料综框并对其关键力学性能进行仿真研究为新型复合材料综框的发展与实践应用提供技术思路 预浸料铺层原理层压板是制备复合材料常用的基础单元一般由无编织的碳纤维预浸布料铺叠而成如图 所示碳纤维层压板多以热固性材料为基体黏合剂通过将各层预浸布料按照一定顺序铺叠就可制成最基本的复合材料层压板 按照铺层构造可将层压板分为对称铺层和非对称铺层两种 相对于对称层压板非对称层压板具有显著的拉弯、弯扭耦合效应且各纤维层的铺设方向和厚度均可根据承载条件进行任意设定图 基于预浸布料铺层的多向层压板.层压板面内力层压板在纤维长度方向上弹性模量 大于其横向弹性模量、但在垂直于纤维的平面内(如 面)一般可认为其材料力学性能是各向同性的层压板在 轴任意位置处的应力 计算方法如式()所示由于层压板刚度与其材料特性和纤维铺层方向相关所以计算层压板应力时必须以同一 轴为参考且 轴的方向可任意设定 ()式中:为变换至 轴的刚度矩阵为中面应变 为 轴坐标 为曲率根据层压板结构及其应力分布状态可知轴方向的应力 之和必须等于单位宽度上的内力 在此可通过中面应变和曲率来表示各层板上的应力之和 如式()所示:()()式中:为第层板上的应力为层压板中面至第层板底部的距离假设层压板任意一个单层 的厚度为 在 面的三个应力分量为、则作用在 单层上的面内力分别为、通过积分运算可获得厚度为 的层压板面内力、和 如式()()所示()()()仿真模型开发.开口承载状态以消极式凸轮开口为应用对象在梭口开启与闭合过程中综框将承受多种载荷作用如凸轮提综力、弹簧回综力、动态纱线张力、机构摩擦力等根据开口系统组成及其运动原理构建如图 所示等效力学模型其中 为综框转化质量为回综弹簧刚度为纱线刚度 为综框转化重量 为凸轮提综力 为垂直方向纱线张力 为综框位移为回综弹簧初伸长图 等效力学模型.第 期邱海飞:含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理为便于开口系统承载分析与计算在此忽略机构干摩擦及阻尼力影响依据图 建立经简化的综框动力学微分方程如式()所示其中为综框线性加速度需要注意的是在开口运行过程中若综框处于经直线以上经纱张力 取 反之则 取 ()()以 中平布纯棉平纹织物当织造对象当弹簧初伸长 时其理论刚度约为 考虑到机构摩擦及可靠性因素实际设计时会将弹簧刚度提高 即 .已知综框行程 .则由胡克定律可知作用于综框上横梁的单根弹簧回综力 假设纱线张力通过片综和穿综杆等效作用于综框上、下横梁则可按式()计算出最大片纱张力(集中力).根据纱线实际分布状态可沿织物幅宽方向将纱线张力转化为作用于横梁的均布力即 .()式中:为经纱密度.根 为综框幅宽 为单根纱线张力 当综框运动至上、下极限位置时梭口处于满开状态在此条件下凸轮提综力 应大于等于回综力与最大片纱张力 之和为抵消摩擦力和系统阻尼影响在此将提综力 增大至 .纤维铺层设计考虑到碳纤维的经济和成本因素制备复合材料综框时可将其层压板设计为夹芯或空心结构以减少碳纤维原料的使用量这样不仅可在很大程度上降低复合材料综框的制造成本而且能够更好地实现综框轻量化设计 在此以 中的环氧碳纤维预浸布料()和蜂窝芯材()为原料通过纤维铺层与层压板黏合来制备夹芯结构复合材料综框相关材料性能参数见表 表 材料性能参数.材 料密度()杨氏模量剪切模量泊松比预浸料布.蜂窝芯材.采用非对称纤维铺层设计方案每块层压板由 层碳纤维预浸布料铺叠黏合而成其中由 层预浸布料构成一个 基本单元如图 所示每层预浸布料含有单向铺设的纤维束铺设方向以纤维与 轴正向夹角为参考则单块层压板包括两个 基本单元其纤维铺设角度可记为:由于每层纤维铺设厚度.故单块层压板总厚度为.图 层压板纤维铺层方案.现代纺织技术第 卷.综框有限元建模根据非对称层压板铺层方案利用 模块开发基于夹芯分层的复合材料横梁仿真模型如图 所示该复合材料横梁由三层介质组成其中间层为蜂窝芯材厚度为.两侧为碳纤维层由两块铺层角度为 非对称层压板黏合而成则外部碳纤维层厚度为.考虑到综框实际承载状态通过铝合金板材对其横梁结构进行加固如图()所示沿横梁长度方向分别配置两根厚度为 的铝合金板材由此进一步提升复合材料综框的抗弯和抗扭变形能力 综框边梁同样采用铝合金材质 通过六面体实体单元对综框组件进行结构离散各接触面之间采用 接触如图()所示 为提高有限元分析结果精度划分网格时需对局部特征和接触面等进行再处理具体建模数据见表 图 夹芯分层结构及纤维分布.图 碳纤维复合材料综框有限元模型.表 复合材料综框有限元建模数据.零部件单元节点单元大小增长率单元类型铝合金板材.六面体边梁.六面体蜂窝芯材.六面体碳纤维层.六面体 结果分析.静力特性根据消极式开口系统构成设置边界条件通过定义印记面()将回综力、提综力及纱线张力分别加载至综框相应位置同时在两侧边梁与导轨接触面上施加固定约束在此基础上运行有限元静力学计算获得如图 所示综框变形和应力分析结果由静力变形图解可知在梭口满开状态下综框上横梁发生了明显的弯曲变形如图()所示不同于下横梁的变形分布上横梁形变量从中间区域逐渐向两侧减小最大形变量约.对综框结构刚度影响十分微小 从应力结果来看在横梁与边梁连接区域附近存在较明显应力分布如图()所示尤其是在提综拉杆与铝合金板材连接安装位置最大 应力达.已知铝合金的拉伸压缩屈服强度约 可见复合材料综框具有足够的强度储备在当前负载条件下不会产生静力破坏.夹芯应力夹层结构材料主要用于稳定两侧纤维面板以防止各纤维层发生局部屈服同时具有隔振、降噪、阻燃和抗疲劳等优点 蜂窝芯材不仅质量轻、承压能力强而且表面平整、经济环保可有效降低复合第 期邱海飞:含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理材料综框的设计制备成本夹芯层主要承受由两侧纤维层传来的横向剪切应力 由图()可知综框静力变形主要表现为横梁的纵向弯曲所以作用于中间蜂窝芯材的横向剪切应力相对较小如图 所示上、下横梁的芯材应力分布较为均匀且最大应力值分别为.和.远 小 于 其 横 向 拉 压 应 力 极 限(.)和最大剪切应力极限(.)由此可见蜂窝芯材具有足够的强度安全其应力分布符合夹芯材料的承载特性与使用要求 图 综框静力学分析结果.图 蜂窝芯材应力分布.层间正应力根据复合材料层压板力学理论纤维铺层方向、顺序及厚度等均是影响复合材料力学性能的敏感因素 利用()模块分析求解复合材料横梁应力分布提取单块非对称层压板的纤维层间正应力如图、图 所示可以清楚地看到具有相同铺层方向的各纤维层正应力分布基本相似如图()和图()中的纤维层、图()和图()中的 纤维层其应力大小及分布区域都十分接近 相对于复合材料横梁其它区域靠近其两端位置的应力梯度明显较大尤其是在与边梁连接处有可能因为应力集中而导致疲劳损伤或失效破坏符合图()中的静力学分析预期此外由于上横梁与下横梁承力条件不同所以其层间正应力分布状态亦有所区别总体来看在相同铺层顺序和铺层角度下上横梁各纤维层的层间正应力明显大于下横梁如图()与图()所示第 纤维层在 纤维铺设方向下两者之间的最大应力差值约为 由此可知在弹簧回综力与纱线张力作用下上横梁各纤维层的应力分布相对更大应适当增强其强度设计比较图、图 可知虽然横梁各纤维层中心区域的应力分布相对较为均匀但每一层的中心应力状态却存在较大差异 在横梁表面纤维层中心区域设定取样点()并以该点为参考提取横梁厚度方向(轴方向)上的正应力分布曲线如图 所示现代纺织技术第 卷图 上横梁纤维层间正应力.第 期邱海飞:含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理图 下横梁纤维层间正应力.图 横梁厚度方向正应力分布.通过分析对比可以发现按照夹芯复合材料横梁结构可将正应力划分为 个区域其中中间层蜂窝芯材上的正应力(、)均为 而两侧纤维层的正应力、相对较大且呈现出典型交变应力特征说明正应力、对于综框疲劳强度具有重要影响相比之下两侧纤维层的正应力 亦为可忽略不计.失效状态.蔡希尔()准则失效准则是复合材料层压板强度设计的重要基础 复合材料具有显著各向异性特征由于力学机理和制造工艺等复杂多样使其可能产生多种失效行为因此目前尚没有一个通用的失效判定准则 针对复合材料提供了多种失效准则如最大应力应变准则、蔡希尔()准则、霍夫曼()准则、蔡吴()准则等其中 强度理论考虑了多种失效模式的相互作用如抗拉、压缩和剪切等并将各向同性屈服条件推广至正交各向异性材料 由于蔡希尔()准则考虑了基本强度、之间的相互作用所以理论曲线与试验数据较为吻合其数学形式如式()所示()式中:、为主应力为剪切应力、分别为单向层压板在主轴方向、单轴应力状态及纯剪切应力状态下的极限强度.逆储备因子以蔡希尔()准则为失效判据在静力现代纺织技术第 卷学分析基础上评估复合材料综框的失效形式如图 所示 由图中逆储备因子分布状态可以看到在综框的回综与提综承力点区域分布有相对较大的逆储备因子如图()所示说明这些承力点均是潜在的失效危险区 尤其是在提综拉杆与下横梁连接点附近(区域)逆储备因子达到最大(约)如图()所示故该区域纤维层存在较大失效风险 图 逆储备因子分析图解.失效次序复合材料层压板的失效破坏是逐层发生的即当某一纤维层达到应力极限发生破坏时负载将重新分配至其余各层直至最后一层发生破坏因此由复合材料制成的综框具有一定后续承载能力 为更为精确地掌握各层的失效分布区及失效次序同样以 准则为失效判据在()中对构成层压板的各纤维层进行失效分析并通过()提取各纤维层的失效状态数据详见表 表 非对称层压板纤维层失效分析数据.铺层顺序第 层第 层第 层第 层第 层第 层第 层第 层纤维角度()逆储备因子.失效次序 以 纤维层失效状态为例如图 所示在复材横梁边缘均在局部失效危险区其中箭头表示碳纤维的分布区域及铺设方向 进一步分析失效危险区可知该区域最大逆储备因子(.)明显高于其它纤维层且与 的最大逆储备因子分析结果一致说明当复材综框在动态负载作用下达到一定累积损伤时纤维层将有可能首先发生失效破坏通过比较表 中数据发现对于铺层顺序为 的非对称层压板各纤维层的逆储备因子分布范围在.之间其值均小于故理论上不会发生失效破坏 然而实际情况下当材料疲劳损伤达到临界状态时必然会出现失效现象所以在相同负载条件下当层压板第 纤维层()因疲劳损伤而最先发生失效后随着载荷的重新传递与分配其余各层将按照逆储备因子从大到小依次出现失效直至第 纤维层()最后发生失效破坏即碳纤维层的失效次序为:图 纤维层失效危险区().()第 期邱海飞:含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理 结 语将碳纤维复合材料应用于新型综框的设计制备不仅能够大幅提升开口系统的综合工作效能而且对于现代高速织机的减振降噪具有重要现实意义 通过一种含夹芯分层复合材料综框的设计与仿真研究发现综框横梁与边梁连接区域存在较大应力分布中间芯材所承受横向剪切应力相对较小而上横梁各纤维层的层间应力明显大于下横梁 此外在正应力、的主要影响下通过比较复合材料综框的逆储备因子得知各纤维层的失效次序为:明确了综框用复合材料层压板的建模方法与设计思路有助于新型复合材料综框的设计研发与力学机理研究参考文献:刘书惠.:用于织造工艺的组合式综框.国际纺织导报():.:.():.徐铭涛嵇宇仲越等.碳纤维环氧树脂基复合材料增韧改性研究进展.纺织学报():.():.井口博一藤井干也松岛春男等.层压板材及由其制成的织机综框.():.:.张华伟邵延汤向陈世等.碳纤维复合材料层合板低速冲击影响因素.塑性工程学报():.():.:谭志勇闵昌万龙丽平.先进复合材料的结构动力学设计与分析技术探讨.强度与环境():.():.邱海飞党波.基于弹簧回综的消极式凸轮开口仿真设计.机电工程():.():.吴健王纬波张彤彤等.中等应变率下玻璃纤维环氧树脂复合材料层合板强度预报.船舶力学():.():.孙琳苏顺生张仁航等.碳纤维复合材料成型工艺的研究进展.材料科学():.():汪泽幸蒋金华陈南梁等.机织物增强双层柔性复合材料拉伸异向性能及其失效准则.纺织学报():.():.刘礼平段科好徐卓等.碳纤维增强树脂基复合材料层合板胶螺混合连接失效机制.复合材料学报():.():.现代纺织技术第 卷 ():.:第 期邱海飞:含夹芯分层复合材料综框的应力状态及失效机理