間隔機織物復合材料板梁結構設計研究

姚超，王益軒，劉婷婷，劉育，王瑤

(西安工程大學機電工程學院，西安710048)

間隔機織物復合材料板梁結構設計研究

姚超，王益軒，劉婷婷，劉育，王瑤

(西安工程大學機電工程學院，西安710048)

本文主要針對間隔機織物板梁結構復合材料設計與制造。分別對不同細度的間隔機織物預制件在復合材料中的體積比進行計算，采用樹脂傳遞成型工藝(RTM)方法成型制造，利用ANSYS軟件的梁單元Beam188對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料板梁結構進行靜力學和動態(tài)分析。計算結果表明，復合材料板梁隨著纖維體積分數(shù)(含量)增加，材料剛度增加，撓度減小，當纖維體積分數(shù)為11.10%時彎矩最大。

板梁結構;間隔機織物預制件;RTM成型;靜動態(tài)分析;ANSYS

1　引言

隨著經(jīng)濟與技術的發(fā)展，要求更多的質(zhì)輕高強、韌性和柔性好的材料，在現(xiàn)代強調(diào)節(jié)能環(huán)保的時代，輕量化是一個重要的主題。從2020年起，歐洲市場95%新注冊的汽車都將需符合新的二氧化碳排放標準，從現(xiàn)在的130克/公里下降到95克/公里，2021年后標準將更加嚴格。復合材料是由兩種或兩種以上的單一材料，用物理的或化學的方法經(jīng)人工合成的—種固體材料［1］。增強纖維和基體相得益彰，兩種材料相互互補來形成更優(yōu)的力學性能材料。它們克服相互之間的缺點，又增強兩者之間各自的優(yōu)點。復合材料是利用比強度高、比模度高、脆性的增強材料和低強度、低模量、韌性的基體材料，經(jīng)過成型工藝復合而成的。紡織復合材料作為一種新型的復合材料，它具有比強度高、比模量高等特點，被廣泛應用于航空航天，醫(yī)療，汽車，體育等行業(yè)上［2］。

板梁結構如圖1所示，作為一種工程結構，在各種工況中，要承受多種載荷，比如拉力、剪切等。傳統(tǒng)的板梁結構通常采用如蒙皮結構、蜂窩和層合板等結構，這種結構的主要問題是厚度方向承受剪切應力較小［3-5］。本文將采用三維間隔織機織造連續(xù)纖維板梁結構預制件，采用樹脂傳遞模塑法(RTM)制造需要的機械零件，比如汽車前防撞結構、彈簧板，建筑材料結構。板梁結構在次承力結構上已經(jīng)達到成熟，但是在主承載件有待深入研究，并探討間隔機織物板梁的可行性。

圖1　板梁結構示意圖

2　板梁結構預制件

織物結構的設計要根據(jù)織物的用途，選擇相應性能的材料，確定工藝參數(shù)，使織物最終獲得最佳的性能，并具有良好的尺寸穩(wěn)定性、適應性和成型性［6］。三維機織物結構一般由經(jīng)紗、緯紗、接結經(jīng)和填充紗等四種紗線組合而成的。三維整體織物織造方法有編織、針織、機織和非織。三維針織織物織造工藝中，連續(xù)長絲紗線會受到扭轉彎曲，三維傳統(tǒng)機織生產(chǎn)出來的織物并且沒有過多的卷曲，其紗線的分布比較勻直，間隔織物方式更加具有優(yōu)越，主要體現(xiàn)在對高性能原料的織造適應性更好以及織物性能更強。這樣就能夠充分發(fā)揮紗線的潛能，從而有著更強的抗拉伸，抗壓縮，抗頂破性能。用機織的方法來生產(chǎn)間隔織物是通過綜框的升降運動來控制經(jīng)紗的排布，同時通過打緯機構來使所以的經(jīng)緯紗交織在一起，機織物中紗線的性能利用效率比較高，紗線運動沒有大的卷曲，很適合玻璃纖維等高性能纖維的編織。

目前，三維紡織結構板材預制件主要采用角聯(lián)鎖結構、正交結構和纏繞結構，而間隔織物結構織造工藝主要是在傳統(tǒng)的織機上改造而來，板梁結構間隔織物原理為:經(jīng)紗從經(jīng)軸上退繞下來，經(jīng)過分紗器，多層紗線被穿入不同綜片綜眼內(nèi)，在綜框的上下周期運動下，經(jīng)紗與緯紗結交在一起，鋼筘讓經(jīng)紗與緯紗緊緊箍在一起，在卷取機構輔助下最終織造完成。

本文設計關于三維(248 mm×92 mm×1 200 mm)研究為對象，采用幅寬為190cm三維織機織造。本文所設計的矩形截面間隔織物如圖2所示。

本文間隔織物主要是由上下兩層及中間織物構成，如圖2(b)所示，經(jīng)紗和緯紗相互連續(xù)的交織在一起，使整體織物具有較高的強度，中間腹肋處的織物左右兩邊的紗線在中間為繼續(xù)相互交錯，使得具有良好的穩(wěn)定性，增加厚度方向的剪切強度。圖2 (c)表面織物組織采用平紋織物組織，下層經(jīng)紗經(jīng)過中間層穿梭在表面層，增加上下表面織物的面密度。圖2(d)織物間運動規(guī)律相同紗線交叉排列，使得織物組織更加緊密，提高織物的剛度?？椢锏膶訑?shù)越多，織物組織的力學性能越好［7］。

圖2　織物預制件

3　材料選用

考慮到本文板梁結構作為主承載結構使用，增強纖維采用無捻粗紗用專用浸潤劑一次拉制成型，2000根或4000根單絲經(jīng)有效粘結而成單股的s-玻璃纖維，基體采用上海樹脂有限公司生產(chǎn)的618型雙酚A改性環(huán)氧樹脂，具體性能參數(shù)如表1所示，s玻璃纖維的比強度高，模量高，但是韌性差;環(huán)氧樹脂的韌性比較好，兩種材料相互結合提高性能。在三維間隔織物的設計中，考慮到纖維的體積分數(shù)和纖維排列方式會影響到樹脂的滲透性，通過對細度為1993.9tex、4486.28tex和7975.6tex紗線不同排列方式進行研究分析，并在Pro/E中進行建立織物模型(見下圖)，經(jīng)紗和緯紗的規(guī)格相同，測量不同細度紗線體積含量見表2。

表1　玻璃纖維和樹脂的力學性能［8］

紗線的排列方式

表2　不同細度的纖維體積含量

4　板梁復合材料成型

在樹脂傳遞模塑成型過程如圖3所示。VARTM工藝基本原理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，然后抽出增強體中的氣體使模腔內(nèi)成真空狀態(tài)，利用真空壓力驅(qū)動樹脂流動、滲透和浸漬纖維增強體，最后在室溫或是加熱條件下整體固化成型出一定形狀和纖維體積含量的制件，復合材料成型可以用RTM-WORX進行模擬仿真。

圖3　RTM成型工藝

5　板梁復合材料結構的性能分析

5.1有限元模型

板梁復合材料結構幾何模型如圖4示，在笛卡爾坐標系中，梁橫截面在xoy平面內(nèi)，梁的長度方向為Z軸，本文對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂進行靜態(tài)與動態(tài)分析，纖維復合板梁結構有限元模型如5圖所示，利用纖維與樹脂的體積比例來等效玻璃纖維/環(huán)氧樹脂的等效模量，利用ANSYS創(chuàng)建自定義梁截面特性，如圖5所示，復合材料板梁的橫截面積為0.0136 m2，繞Z軸的轉動慣量為0.772e-4 kg·m2。并建立復合材料板梁結構的有限元模型，網(wǎng)格采用Beam188單元進行劃分，劃分結果如圖6所示。

圖4　板梁的幾何模型

圖5　自定義梁截面

圖6　板梁結構有限元模型

5.2靜態(tài)分析

復合材料板梁左端節(jié)點進行固定約束，右端節(jié)點Y軸方向進行向下約束，在中間節(jié)點施加1 000 N的靜載荷，纖維體積含量為17.47%的預制件，板梁的撓度如圖7所示，在節(jié)點34上最大撓度為0.703 mm，圖8為Z軸的彎矩圖，各纖維體積含量的撓度大小和Z軸的彎矩如表3所示，

圖7　位移Y軸位移云圖

圖8　繞Z軸的彎矩圖

表3　1000N作用下不同纖維體積含量的撓度和彎矩

5.3動態(tài)分析

復合材料板梁左端進行固定約束，進行模態(tài)分析，前20階模態(tài)固有頻率如表4所示，并對整個板梁結構施加0～3 000 Hz間單頻掃描，并在右端施加1 000 N激勵，懸臂梁的自由端引起的位移響應、幅頻響應曲線如圖8-9所示。

表4　前20階固有頻率

圖8　位移響應曲線

圖9　幅頻響應曲線

6　結語

本文利用ANSYS軟件的梁單元Beam188對玻璃纖維/環(huán)氧樹脂復合材料板梁結構進行靜力學分析時，復合材料板梁隨著纖維體積分數(shù)增加，材料剛度增加，撓度減小，當體積分數(shù)為11.10%彎矩最大。動態(tài)分析時，第1，2，3，6，9階振型為YZ平面擺動，第4，7階振型型為XZ平面擺動，第4.8階振型為繞Z軸扭動。在1 000 N外激勵下，當頻率為600 Hz附近位移響應最大。本文為復合材料的板梁結構生產(chǎn)提供可行性參考。

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Studyon the Design of Composite Plate-Beam Structures with Space Woven Fibric

YAO Chao，WANG Yixuan，LIU Tingting，LIU Yu，WANG Yao
(College of Mechanical and Electrical Engineering，Xi＇an Polytechnic University，Xi’an 710048)

The paper mainly studies structure design and manufacture of the space woven fabric for plate beam with composite materials，and calculates different diameter of Prefabricated parts which are accounted for total volume of composite material，This paper gives a method of resin transfer molding(RTM)which are used for Molding manufacture，and makes a thorough analysis on static and dynamic of glass fiber/epoxy resin composite plate girder structure by used element beam188 in ANSYS software.The results indicated that the larger the volume ratio of galss fiber in composite material，the greater the stiffness in composite material，thus the deflection of plate beam decreased.But when the volume ratio of glass fiber at 11.10%，the volume of bending moment is maximum.

plate-type beams;spacer fabric preform;resin transfer mould;static and dynamic analysis;ANSYS

陜西省科技攻關項目(2015GY137)

2016-01-07)

姚超(1990-)，男，陜西人，在讀碩士研究生。研究方向:機械CAD/CAE/CAM及虛擬樣機研究技術。E-mail:411582332@qq.com.