玻纖/環氧高強支撐的成型工藝與力學性能分析

王海芳，劉森川，楊永生

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

玻纖/環氧高強支撐的成型工藝與力學性能分析

王海芳，劉森川，楊永生

(哈爾濱玻璃鋼研究院，哈爾濱150036)

玻璃纖維/環氧高強支撐采用半干法纏繞鋪放成型工藝，成型過程中首先制作玻璃纖維預浸帶，利用有限元方法進行了校核，該結構未失效;對支撐進行了力學性能試驗，結果表明:支撐性能完全達到技術指標。

高強支撐;半干法纏繞;有限元分析;模壓成型;拉伸載荷;壓縮載荷

1　引言

玻璃纖維增強樹脂基復合材料具有輕質高強、導熱率低、電絕緣、結構可設計等優點，廣泛應用于航空、交通、電力、化工等領域［1］。本文研究的支撐件用于某工程低熱組件的支撐，要求具有低導熱率和高支撐強度。玻璃纖維增強樹脂基復合材料導熱率不大于3.5×10-1W/(mK)，能夠滿足本產品要求，本文主要利用ANSYS有限元［2］分析方法對玻璃纖維/環氧高強支撐(簡稱高強支撐)的鋪層結構進行了校核，利用半干法［3］纏繞鋪放成型工藝制作出產品并進行力學性能測試。

2　高強支撐的結構設計

2.1高強支撐尺寸及強度要求

高強支撐為截錐狀，高51 mm，上截面為內翻法蘭結構，內外徑分別為φ9、φ16，下截面為外翻法蘭結構，內外徑分別為φ25、φ38，外形如圖1所示，壁厚為0.3±0.025 mm，精度要求高。強度指標為軸向抗拉大于或等于16 kN，軸向壓縮大于或等于9 kN。因此本產品屬于薄壁支撐結構件，對尺寸精度和結構強度均有較高要求。

2.2原材料選擇

由于本產品要求低導熱率，高尺寸精度、高力學強度，綜合考慮選用高強玻璃纖維/環氧材料體系。

基體材料:環氧樹脂，活性稀釋劑，固化劑為液態酸酐。

增強材料:增強纖維采用南京玻纖院的SC8-240高強玻璃纖維，纖維強度大于2 500 MPa。

上述復合材料單向板參數如表1所示。

表1　高強玻璃纖維單向板材料參數

2.3高強支撐的鋪層設計

在研制初期，高強支撐僅采用環向纏繞和縱向鋪放的工藝鋪層，產品成型之后進行了相應的拉伸和壓縮試驗，產品性能不能滿足性能指標要求。通過進行強度優化設計，增加了螺旋纏繞層，從而獲得最小壁厚、滿足最大承載能力的鋪層結構，如表2所示。

表2　高強支撐結構鋪層

2.4利用ANSYS有限元分析方法的結構校核

2.4.1有限元模型

參照高強支撐的實際尺寸，采用ANSYS有限元［3］三維八節點shell99單元對模型進行分網，共劃分1 360個單元。單元模型見圖1。

2.4.2校核結果

采用ANSYS有限元的方法進行校核，校核輸入表1的高強玻璃纖維單向板材料參數和表2中的成型工藝參數及表3載荷的邊界條件作為初始條件。校核結果如表4所示，可以看出按照最大應力破壞準則校核結構未失效。

圖1　單元模型

表3　載荷的邊界條件

表4　利用有限元校核結果

3　高強支撐的成型工藝

本產品成型工藝采用半干法纏繞鋪放加金屬對模加壓成型工藝，半干法可以更好的控制含膠量，金屬對模加壓成型不僅可以更好的控制產品外形尺寸，而且減少了后續表面加工工序，盡可能多的保留了連續纖維，使其強度得到最大的發揮。具體成型步驟如下:

(1)首先按照配方配置膠液。

(2)制作預浸帶:選用型號為DCS-1型纏繞機，制作預浸帶的具體步驟為:選用1團SC8-240高強玻璃纖維，在φ300的光筒模具進行1個循環的環向纏繞，紗片寬度設定為3 mm。纏繞過程中控制膠液的含量以獲得比較高的纖維體積含量。預浸帶纏繞完畢放入烘箱中，90℃保溫1 h。

(3)裁料:把預浸帶沿纖維方向裁成幅寬為5.5 mm的片材。

(4)纏繞鋪放:按照表2中的鋪層順序在金屬陽膜上纏繞鋪放成型。

(5)采用金屬對模加壓工藝合模固化，固化制度為120℃±5℃/3 h±10 min+150℃±5℃/3 h± 10 min。

4　試驗校核

4.1高強支撐的試驗內容及技術指標

高強支撐驗證性試驗包括拉伸試驗、壓縮試驗。技術指標為:支撐拉伸載荷≥16 kN;支撐壓縮載荷≥9 kN。

試驗產品從批次產品中進行抽檢，其性能結果代表批產品的性能。

4.2高強支撐的試驗設備

試驗設備:WPM萬能材料試驗機，Instron-1185材料試驗機，UCAM-8C通用測試儀，TEAC直流放大器，紅山程序控制疲勞試驗機，PE-8數字電壓表，SA-34放大器，紙基電阻式應變片。

4.3高強支撐的試驗結果

性能測試結果見表5-表6，其拉伸性能和壓縮性能均滿足設計要求。

表5　高強支撐拉伸性能

表6　高強支撐壓縮性能

5　結語

(1)利用ANSYS有限元分析對鋪層設計進行了校核，試驗結果證明，該鋪層設計很好的滿足了產品設計要求。

(2)通過采用半干法纏繞鋪放加金屬對模加壓成型的工藝方法成型，既有效的控制了含膠量，又保證了壁厚尺寸精度，并且避免了后續加工時纖維斷裂帶來的強度損失，進而同時滿足了產品尺寸小、精度高、壁薄、高強度的要求，對同類其他復合材料的成型工藝設計也有一定的參考作用。

［1］王慧杰.航空復合材料樹脂基體的現狀及發展［J］.復合材料學報，1995，12(4):35-38.

［2］袁靈，張付元，莊匯泉，等.計算機在熱鍛設備上的應用［J］.鍛壓機械，1994(5):34-37.

［3］鄭傳祥.復合材料壓力容器［M］.北京:化學工業出版社，2006:197.

Processing and Mechanical Properties of Glass-fiber Reinforced Epoxy-based Composites

WANG Haifang，LIU Senchuan，YANG Yongsheng
(Harbin FRP Institute，Harbin 150036)

In this paper molding process of high-strength and low thermal conductivity Glass-fiber Reinforced Epoxybased Composites strut was studied and mechanical properties of strut were discussed by experiment.The structure is proved safe by finite element method.The results show that performance of the support has achieved technical qualification.

high-strength strut;semi-dry winding;finite element;moulding;tensile-strength;compressive strength

2015-04-19)

王海芳(1978-)，女，河北人，碩士，工程師。研究方向:復合材料高壓氣瓶成型工藝。E-mail:freehfwang@126.com.