三維正交纖維增強復合材料箱梁結構機織法與成型工藝研究

劉婷婷，王益軒，姚 超，劉 育，王 瑤

(西安工程大學 機電工程學院，西安 710048)

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三維正交纖維增強復合材料箱梁結構機織法與成型工藝研究

劉婷婷，王益軒，姚 超，劉 育，王 瑤

(西安工程大學 機電工程學院，西安 710048)

本文主要介紹三維正交纖維增強復合材料箱梁結構機織物的織造方法，闡述了纖維增強復合材料在織造過程中形成一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物的織造方法，并在Pro/E軟件里建立箱梁結構機織物預制件的幾何模型，詳細介紹了箱梁結構機織物預制件的成型工藝。為研究箱梁結構復合材料機織物預制件的織造方法、成型工藝和力學特性設計計算打下了良好基礎；為開發纖維增強復合材料箱梁結構新產品提供了一個有效途徑。

三維正交纖維增強復合材料；箱梁結構件；機織方法；RTM工藝；VARTM工藝

1　引 言

隨著我國經濟的快速發展，有相當一部分的鋼筋混凝土橋梁由于施工不當，結構老化，環境惡劣，超載等原因已經不能滿足日益增長的交通量的需要，因此頻繁發生事故。橋梁的修復，重建已刻不容緩，對材料的性能要求越來越高。

纖維增強復合材料(FRP)因其輕質、高強、抗腐蝕、耐疲勞等特性,將其應用到橋梁進行加固是目前較理想的一種加固方法。纖維增強復合材料是由包裹在樹脂母體中的微細纖維生成的復合材料。纖維起到加勁增強的作用,而樹脂起到粘合纖維的作用，通過樹脂傳遞纖維布與混凝土之間的剪力，達到增強橋梁強度的目的[1]。

三維正交機織物是由經紗，緯紗和接結紗相互垂直交織而成，其顯著特點是起增強作用的經紗與緯紗在織物內幾乎呈伸直狀態，同時在厚度方向有一組經紗連接，從而可明顯改善復合材料在第三方向即厚度方向的機械性能。

本文主要介紹三維正交纖維增強復合材料箱梁結構機織物的織造方法，并在Pro/E里建立箱梁結構預制件的幾何模型，對其成型工藝進行研究。

2　箱梁結構預制件的機織方法

箱梁結構預制件的織造方法主要有機織、針織和編織等方法，其中機織方法因其具有大的纖維體積比、纖維伸直度好、預制件緊密和高的機械剛強度等織造特點非常適合于大型、細長型箱梁結構件的織造。機織方法中適合于織造箱梁結構的有三維雙向正交交織機織物和三維間隔機織物，本文主要介紹雙向正交交織機織物的織造方法。

2.1一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物織造方法

采用雙向開口織造完全交織的三維組織，即多層經紗的縱向(垂直)和橫向(水平)分別形成開口(在織物的截面)，使多層經紗與兩組正交緯紗相互交織[2]。由此設計出一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物，如圖1所示。

圖1　一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物截面

以圖2(a)經紗為例，簡要介紹一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物織造過程，如圖2所示。

(1) 縱向經紗Zj1、Zj2、 Zj3、 Zj4最初處于水平位置[圖2(a)]?？v向經紗Zj2、Zj3垂直向下進步1/2間距，在垂直方向形成開口。水平開口引入橫向緯紗Xi1、Xi2、 Xi3、Xi4[圖2(b)]與4層經紗Z形成交織[圖2(c)]?？v向經紗Zj1、Zj4垂直向下進步1/2間距，在垂直方向形成開口，水平開口引入橫向緯紗Xi1、Xi2、 Xi3、Xi4 [圖2(d)]與4層經紗Z形成交織[圖2(e)]。

(2)橫向經紗Zi2、 Zi4水平向右進步1/2間距，在水平方向形成開口。垂直開口引入縱向緯紗Yj1、Yj2、 Yj3、Yj4 [圖2(f)]與4層經紗Z形成交織[圖2(g)]。橫向經紗Zi1、 Zi3水平向右進步1/2間距，在水平方向形成開口，垂直引入縱向緯紗Yj1、Yj2、 Yj3、Yj4 [圖2(h)]與4層經紗Z形成交織[圖2(i)]。

(3) 縱向經紗Zj2、Zj4垂直向下進步1/2間距，在垂直方向形成開口。水平開口引入橫向緯紗Xi1’、 Xi2’、 Xi3’、Xi4’[圖2(j)]與4層經紗Z形成交織[圖2(k)]。縱向經紗Zj1、Zj3垂直向下進步1/2間距，在垂直方向形成開口，水平開口引入橫向緯紗Xi1’、 Xi2’、 Xi3’、Xi4’[圖2(l)]與4層經紗Z形成交織[圖2(m)]。

(4) 橫向經紗Zi2、Zi3水平向右進步1/2間距，在水平方向的形成水平開口。垂直方向引入縱向緯紗Yj1’、 Yj1’、 Yj1’、Yj3’ [圖2(n)]與4層經紗Z形成交織[圖2(o)]。Zi1、 Zi4水平向右進步1/2間距，在水平方向的開口形成，垂直方向引入縱向緯紗Yj1’、 Yj1’、 Yj1’、Yj3’[圖2(p)]與4層經紗Z形成交織[圖2(q)]。最終形成圖1(a)所示的三維交織圖。

2.2三維雙向正交交織織物制作箱梁結構預制件

上面介紹的雙向三維正交交織物具有沿任意方向裁剪不脫紗的顯著特點，其本身布邊結構良好，可以先按照箱梁結構截面的大小和長度設計正交織物的經緯密度和雙向織物組織結構、以及布邊結構，直接織造出截面為箱梁的結構件；也可以只按箱梁結構件截面的外形尺寸織造出矩形截面的雙向正交交織預制件，然后裁剪成箱梁結構件。這種三維雙向正交交織物的織造只能在我們設計制作的專用三維正交交織織機上進行。

3　箱梁結構成型工藝與仿真計算

3.1成型工藝

真空輔助樹脂傳遞模塑(VARTM-Vacuum Assisted Resin Transfer Modling)工藝是一種新型的低成本的復合材料大型制件的成型技術，它是在單面剛性模具上鋪放纖維增強體等材料再用柔性真空袋包覆密封，形成一個密封模腔，通過真空吸力排除纖維增強體中的氣體，使模腔內成真空狀態，利用真空壓力驅動樹脂的流動和滲透，實現對纖維及其織物的浸漬，并在室溫條件下進行固化成型，形成一定形狀尺寸和纖維體積分數的工藝方法。此方法具有以下幾個優點：

(1)模腔內抽真空后腔內壓力變小，在成型過程中可以有效地減少對模具的傷害，增強其使用壽命。

(2)模腔內抽真空后注入樹脂，提高了纖維體積分數，從而提高了制品的強度及其他力學性能。

(3)真空輔助有助于樹脂對纖維增強體的浸潤，使樹脂和增強體的結合界面更好，可以極大的提高制品質量。

(4)VARTM工藝制造的復合材料制件具有成本低、強度好，空隙率低、產品的性能好等優點,并且工藝具有很大靈活性?？蛇m用于大尺寸的復合材料制件的制備[3]。

圖2　一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物織造過程

織制出如圖3所示的箱梁結構預制件。

將試驗臺清洗干凈，涂上一層薄薄的脫模劑，防止織物粘連在實驗臺上，等脫模劑干后，將鋪好的纖維織物平放在實驗臺上，用密封膠帶將導流網固定在箱梁結構的四周，并在周邊留下緩沖區域。然后在箱梁結構的兩端周邊個設置一圈抽氣管，最后在箱梁結構梁面的正中央布設一圈導流管。用柔性真空袋將纖維箱梁結構包裹起來，將多根抽氣管用三連通連接到主管，主管連接到樹脂溶液收集器，樹脂溶液收集器再與抽真空裝置相連; 所有接口處用密封膠帶密封; 最后在樹脂注入前打開真空泵不斷抽真空并將膠口密封，排出模腔中增強體中的空氣和附著在增強體表面的水汽，然后注入樹脂溶液，由于織物一直保持在真空狀態，樹脂便很快會浸滿整個織物，當織物徹底被浸潤后用大力鉗夾住樹脂管和抽氣管，在室溫下冷卻固化。最后待其冷卻固化結束之后，在纖維鋪放的箱梁結構四周可按照設計要求涂抹一定厚度的混凝土。由此制作出三維正交纖維增強復合材料箱梁結構預制件。

圖3　箱梁結構預制件結構圖

圖4　箱梁結構三維織物預制件結構圖

3.2成型過程仿真計算

近年來，RTM(Resin Transfer Moulding)和 CVI(Controlled Vacuum Infusion)等樹脂模注工藝技術由于其在生產過程中有機物揮發量較低、可設計性良好及適用于成型中批量大型整體復雜構件等優點，被越來越廣泛地應用于高性能復合材料成型制造領域。而針對其成型過程中最常用的仿真軟件主要有RTM-Worx軟件和PAM-RTM軟件[4]。

RTM-Worx軟件由荷蘭一家名為 Polyworx 的公司開發，主要用于樹脂模塑注射成型工藝流動過程的數值模擬仿真軟件，RTM-Worx基于有限元方法來計算樹脂在多孔介質中的流動方程，進而對 VARTM 和 CVI成型工藝進行過程進行模擬仿真分析。該軟件以綜合了有限元分析和體積包絡計算的算法為核心，該算法快速穩定、功能強大、計算精確，能夠確保在很短的時間里為用戶提供準確的計算結果。軟件直觀易用，適合那些不熟悉有限元原理但精通掌握樹脂模注工藝的工程師對該工藝進行局部或全部過程優化，使用者僅需很短時間的培訓和少量技術支持就能充分掌握，被公認為是樹脂模注工藝仿真領域內性價比最高的仿真分析軟件產品。目前，RTM-Worx已在世界各地被廣泛應用于航空，風力發電機，航海，軍工，游艇，材料加工以及建筑等各個行業的復合材料結構設計制造領域[5]。

PAM-RTM 是ESI集團復合材料RTM工藝模擬的最優秀的產品。是針對RTM (Resin Transfer Moulding)、VARI(Vacuum Assisted Resin Infusion)等液體成型工藝開發的專業三維過程模擬軟件,能夠方便地模擬出樹脂在預成型體內的流動狀態、壓力分布及充模時間等,從而達到優化模具設計和工藝參數,降低模具設計周期和降低成本的目的。PAM-RTM能分析的樹脂包括環氧樹脂、酚醛、乙烯、聚酯及無機RPF等，增強材料有毛氈、不起皺織物、機織織物、玻璃纖維、碳纖維等。增強材料的纖維走向對RTM中樹脂的流動有重要的影響。通過預成形模擬，纖維流向可以直接輸入PAM-RTM中，用以進行精密的RTM模擬。該軟件操作簡便，工程師可以很快學會操作；計算迅速，利用DARCY定律求解，保證了計算的精度；后處理結果直觀，無須進入其他界面直接觀察模擬結果[6]。

4　箱梁結構復合材料特性計算

通過計算纖維所占混凝土基體的體積比，將玻璃纖維和混凝土糅合在一起，類似于將纖維彌散在混凝土材料中，形成一種新的復合材料。采用各向同性計算的方法，利用混合定則公式Pc=Pfφf+Pmφm得出新的復合材料的密度，彈性模量以及泊松比。從而在ANSYS/workbench15.0進行分析計算。

混凝土采用高性能混凝土C40，其彈性模量E=3.26×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.5×103kg/m3。玻璃纖維采用抗堿玻璃纖維，其彈性模量E=6.65×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.74×103kg/m3。將以上參數帶入公式Pc=Pfφf+Pmφm中，得到復合材料的彈性模量E=5.12×104MPa，泊松比γ=0.22，密度ρ=2.56×103kg/m3，之后在ANSYS/workbench15.0進行分析計算。施加載荷以及固定載荷如圖5及圖6所示。

圖5　橋面施加載荷示意圖

圖6　箱梁橋底面固定載荷示意圖

(1)P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時橋梁的應力云圖,最大變形圖,壽命，安全系數示意圖。

圖7　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時橋梁的應力云圖

(2)P=10 000 MPa.P′=8 000 MPa時橋梁的應力云圖,最大變形圖,壽命，安全系數示意圖。

(3)P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時橋梁的應力云圖,最大變形圖,壽命，安全系數示意圖。

圖8　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時橋梁的最大變形圖

圖9　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時橋梁的壽命云圖

圖10　P=5 000 MPa,P′=4 000 MPa時橋梁的安全系數示意圖

圖11　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時橋梁的應力云圖

圖12　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時橋梁的最大變形圖

圖13　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時橋梁的壽命云圖

圖14　P=10 000 MPa,P′=8 000 MPa時橋梁的安全系數示意圖

圖15　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時橋梁的應力云圖

圖16　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時橋梁的最大變形圖

圖17　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時橋梁^的壽命云圖

圖18　P=20 000 MPa,P′=18 000 MPa時橋梁的安全系數示意圖

由以上數值分析得出，纖維增強復合材料箱梁橋的應力變化及最大變形微小，體現了纖維增強復合材料箱梁結構良好的力學性能，為橋梁以后的發展提供了一定的建設意義。

5　結 語

將纖維增強復合材料應用到橋梁建設是目前較理想的一種方法。本文主要介紹三維正交纖維增強復合材料箱梁結構織物的織造方法，闡述了纖維增強復合材料在織造過程中形成一向平紋(1/1)一向(1/2)斜紋三維正交織物的織造方法，并在Pro/E里建立箱梁結構預制件結構幾何模型，詳細介紹了箱梁結構預制件的成型工藝，并進行了結構特性計算。由于纖維增強復合材料簡易的施工工藝和良好的加固性能等優勢，在未來的橋梁加固中應用會更加廣泛。

[1]楊雅平,霍達,薛祥.纖維增強復合材料在橋梁加固中的應用及發展[J].廣東建材，2006(11)：8-10.

[2]趙梅,王益軒,路超,等.三維正交織機雙向開口機構的設計[J].產業用紡織品， 2015(2)：29-34.

[3]高彥濤,李煒,羅永康.VARTM工藝中多層玻纖織物滲透規律研究與工藝優化[J].玻璃鋼/復合材料，2009(6)：54-57.

[4]王德盼.纖維增強復合材料VARTM工藝樹脂充填模擬及實驗研究[D].南昌：南昌大學碩士學位論文，2014.

[5]劉寧生．先進的樹脂模注工藝仿真軟件——RTM-Worx[J]． 纖維復合材料，2005，22(1):40-42．

[6]劉強,趙龍,黃峰,等.基于PAM-RTM軟件對VARI工藝流道模擬研究[C]//復合材料——基礎、創新、高效：第十四屆全國復合材料學術會議論文集(下).湖北，2006:1016-1020.

Study on Weaving Methods and Forming Process of the Composite Box Beam Structure of 3D Orthogonal Fiber Reinforced Materials

LIU Tingting，WANG Yixuan，YAO Chao，LIU Yu，WANG Yao

(College of Mechanical and Electrical Engineering ,Xi'an Polytechnic University，Xian 710048，China)

This article gives a brief introduction to the weaving methods which are used for the three-dimensional orthogonal fiber reinforced composite box beam structure woven fabric and the material how to form plain weave(1/1)and twill weave(1/2) in the weaving process.This paper gives a complete introduction on the molding process of box beam structure woven fabric preform by established the geometric model of box girder structure in Pro/E software.The results can be used for the weaving method,molding process and mechanical property design calculation of the material.And it provides an effective way for the development of new fiber reinforced composite box beam structure.

three-dimensional orthogonal fiber reinforced composite material；box girder structure；weaving method；molding manufacturing process；RTM；VARTM

陜西省科技攻關項目(2015GY137)

2015-08-19)

劉婷婷(1990-)，女，陜西人，在讀碩士研究生。研究方向：機械設計及理論。E-mail：1262031798@qq.com.