玻璃纖維薄壁箱梁的制作與實(shí)驗(yàn)

鐘坤宇 牛耕野 張秩笪

摘 要： 近年來(lái)復(fù)合材料逐漸有成為土木工程行業(yè)新興材料的趨勢(shì)，纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料箱梁具有力學(xué)性能好、自重輕、耐腐蝕和耐疲勞等優(yōu)點(diǎn)，因此在土木工程領(lǐng)域有著良好的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用前景。

本文以跨度為610mm的復(fù)合材料箱型梁為研究對(duì)象，研究其在三點(diǎn)彎實(shí)驗(yàn)條件下的承載性能。本文主要運(yùn)用ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行數(shù)值模擬，運(yùn)用MATLAB矩陣運(yùn)算軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與運(yùn)算。

先運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)箱梁進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，依據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對(duì)箱梁材料分配進(jìn)行設(shè)計(jì)。然后通過(guò)APDL參數(shù)化建模并分析箱梁靜力作用下的受力。

增加考慮復(fù)合材料分層失效的模型，與MATLAB結(jié)合循環(huán)運(yùn)算，模擬復(fù)合材料層合結(jié)構(gòu)剛度系數(shù)的折減，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合材料箱型梁的極限承載能力設(shè)計(jì)，并完成了以玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂基體為材料的箱型梁的優(yōu)化設(shè)計(jì)以及鋪層和工藝設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與有限元結(jié)果對(duì)比，得到了較好的擬合結(jié)果，說(shuō)明本文研究復(fù)合材料梁結(jié)構(gòu)承載力的方法是正確可行的。

關(guān)鍵詞： 復(fù)合材料；箱梁；制作工藝；實(shí)驗(yàn)

復(fù)合材料是指由兩種或兩種以上的材料組成的一種有用的多相材料，它的各組分材料在化學(xué)性能或物理性能上是不同的，且各組分材料之間有明顯的界面[1]。一般來(lái)說(shuō)復(fù)合材料會(huì)具有兩個(gè)相，一種是連續(xù)相（基體），其在復(fù)合材料中是連續(xù)存在的，另一種是分散相（增強(qiáng)材料），兩者交界處稱為界面。

復(fù)合材料按照分散相增強(qiáng)材料的纖維長(zhǎng)短不同又可以分為長(zhǎng)纖維（連續(xù)）增強(qiáng)復(fù)合材料與短纖維（非連續(xù)）增強(qiáng)復(fù)合材料，本文主要討論長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料。最簡(jiǎn)單的典型長(zhǎng)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料就是層合板，而本文討論的研究對(duì)象復(fù)合材料箱型梁也可以看為由層合板組成的較復(fù)雜的 結(jié)構(gòu)。復(fù)合材料作為材料領(lǐng)域的后起之秀，現(xiàn)有的大多數(shù)復(fù)合材料都具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，而且復(fù)合材料的各向異性的特點(diǎn)使得其具有鋪層角度、方式的可設(shè)計(jì)性，因此受到眾多結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師的青睞。

工程的每一步發(fā)展都需要性能更加優(yōu)越的工程材料的問(wèn)世來(lái)實(shí)現(xiàn)，從最早用碳纖維材料建造直布羅陀海峽大橋的構(gòu)想被提出開(kāi)始，復(fù)合材料不斷在土木工程領(lǐng)域展現(xiàn)著它獨(dú)特的誘惑力。同時(shí)箱型梁因?yàn)槠浞€(wěn)定性良好和抗扭剛度大等特點(diǎn)經(jīng)常被以主橫向承力構(gòu)件應(yīng)用于工程之中。而現(xiàn)在對(duì)于復(fù)合材料箱型梁的承載性能研究還較少，從理論到實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中都還有很多的問(wèn)題需要我們來(lái)探索解決。

1 復(fù)合材料箱型梁的制作與實(shí)驗(yàn)

1.1箱型梁的制備

1.1.1 材料選取

行業(yè)內(nèi)常見(jiàn)的成型復(fù)合材料產(chǎn)品按纖維材料分主要有碳纖維、芳綸纖維、玻璃纖維等，按纖維布的工藝種類又可以分為無(wú)工藝單向布、正交織布、斜交織布等等。

考慮到原材料成本、制作工藝難易度、可設(shè)計(jì)性等因素的綜合影響，本文采用玻璃纖維單向纖維預(yù)浸料無(wú)工藝布，基體采用環(huán)氧樹(shù)脂。本文主要采用了S15000型預(yù)浸料。

1.1.2 成形方法的選擇

本文主要采用模壓成型法和真空袋法，這兩種方法都需要與產(chǎn)品高精度貼合的模具，所以在鋪層之前應(yīng)進(jìn)行模具的設(shè)計(jì)與準(zhǔn)備。

1.1.3 模具的準(zhǔn)備

本次玻璃纖維箱梁的制作需要用到的主要模具有四部分：砂芯模、腹板左右鋼模側(cè)板、底板鋼模和頂模。如圖1.1.1所示。

將纖維鋪層纏繞在砂芯模上，形成所需箱梁的內(nèi)空間，通過(guò)上、下、左、右四個(gè)方位加壓保證內(nèi)部纖維均勻受壓且與模板貼合精確成形。模具的工程圖如圖1.1.2-1.1.6所示。

其中砂芯模的制作與其他部位不同，砂芯模需要在預(yù)浸料固化成型后從箱型空間中脫離出來(lái)，所以不能用金屬模具代替。本文采用的是聚乙烯醇溶液與細(xì)河沙混合加熱烘干固化的方法，具體步驟為：

① 配置聚乙烯醇溶液：將干燥的聚乙烯醇與水以質(zhì)量比1：10混合均勻，放入烘箱內(nèi)在 溫度下烘烤4至5個(gè)小時(shí)，溶液變?yōu)槌吻逋该骷纯桑?/p>

② 以溶液與細(xì)沙體積比1：5混合配制好的聚乙烯醇溶液與篩至合理級(jí)配的細(xì)沙，需要注意的是需在溶液冷卻至少40min之后才能與沙混合，體積比可以根據(jù)砂芯模具體性能需要進(jìn)行調(diào)整，聚乙烯醇體積比越大，砂芯模成品強(qiáng)度越高；圖1.1.7為配置的聚乙烯醇溶液與所用細(xì)沙。

③ 砂芯模成型：在預(yù)制好的模具槽中鋪好適量錫紙（避免固化時(shí)沙子與模具粘結(jié)），倒入與聚乙烯醇溶液混合均勻的細(xì)沙，夯實(shí)，整平，然后合模加壓；

④ 加熱烘干成型：把加壓固定好的砂芯模放入烘箱，加熱至 并保持12h，待冷卻后可拆開(kāi)模具取出已固化的砂芯模。

如圖1.1.8為拆模過(guò)程中的砂芯模，由于砂芯表面比較粗糙，需要在砂芯表面涂抹薄薄的一層石膏并進(jìn)行打磨以達(dá)到需要的表面平整度。

模具制作完成后，需要在模具表面粘貼脫模布或者涂刷脫模劑，脫模布（脫模劑）表面與樹(shù)脂粘性較差，便于樹(shù)脂固化后脫模。

1.1.4下料與鋪層

下料與鋪層是整個(gè)復(fù)合材料制品制作過(guò)程中最重要也是最復(fù)雜的一個(gè)環(huán)節(jié)，因?yàn)橄铝吓c鋪層能直接反應(yīng)設(shè)計(jì)者的原始設(shè)計(jì)，如有輕微偏差都有可能導(dǎo)致與設(shè)計(jì)方案大相徑庭。

如圖1.1.9為箱梁1/2跨中處的鋪層橫截面示意圖。

將預(yù)浸料纖維布裁剪成鋪層時(shí)所需的每一份的形狀和尺寸，稱之為下料。下料圖是指將纖維要裁剪的輪廓用繪圖軟件或者手工按照1：1的比例繪制出來(lái)，并進(jìn)行合理布局排版以減少?gòu)U棄的邊角料?？梢酝ㄟ^(guò)繪制的下料圖導(dǎo)入激光切割機(jī)直接對(duì)纖維布進(jìn)行切割，也可以打印在紙張上用手工進(jìn)行裁剪。圖1.1.10為某次制作箱梁時(shí)的下料圖。

下料圖應(yīng)與纖維布的布幅保持一致（一般寬幅在1.2m-1.5m之間），需要注意的是，激光切割機(jī)的能級(jí)設(shè)置不宜過(guò)高，否則會(huì)燒壞纖維（尤其是天然纖維這種能燃燒氧化的纖維），而且若是切割預(yù)浸料，也會(huì)使預(yù)浸料中的數(shù)值受熱固化。所以本文的各次實(shí)驗(yàn)中采用打印在紙張上，然后進(jìn)行手工裁剪。

由于鋪層層數(shù)較多，為了避免鋪層時(shí)氣泡過(guò)多導(dǎo)致纖維蓬松不密實(shí)，需要在鋪層的過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行低壓輔助。具體做法為：將鋪層過(guò)的箱梁放入密封的真空袋中，用真空泵對(duì)其持續(xù)施加負(fù)壓，壓力不小于0.8bar。

1.1.5 固化成型

用C型夾加壓，然后放入烘箱按圖1.1.11所示溫度曲線進(jìn)行加熱固化。

復(fù)合材料的固化需要因材料而異、因構(gòu)件尺寸而異，對(duì)于本文采用的玻璃纖維預(yù)浸料，按照構(gòu)件的厚度尺寸不同，有如下兩種加熱固化制度。

當(dāng)構(gòu)件厚度小于5mm時(shí)，構(gòu)件受熱傳遞較快，從室溫以 的速率上升至 ，在密閉條件下保溫90min，然后自然降溫至 以下脫模。

將鋪層完成的箱梁放于模具內(nèi)，組裝合模并烘烤完成后打開(kāi)烘箱靜置兩小時(shí)，待夾具與模具溫度適宜后拆開(kāi)模具進(jìn)行脫模。

1.2 箱型梁的加載實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證分析計(jì)算極限荷載的科學(xué)性與精確度，采用與方案設(shè)計(jì)一致的加載方式，使用萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行加載實(shí)驗(yàn)。加載現(xiàn)場(chǎng)與加載曲線如圖1.2.1。

從力-位移曲線中可以明顯看出加載力有數(shù)次明顯跌落（位移增加很小的范圍內(nèi)，加載力突然降低），這便是因?yàn)榧虞d過(guò)程中箱梁內(nèi)應(yīng)力逐漸增大，大到一定程度時(shí)便出現(xiàn)逐層失效，當(dāng)某層破壞時(shí)，梁的整體剛度突然折減，導(dǎo)致出現(xiàn)曲線中的跌落現(xiàn)象。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試所得數(shù)據(jù)與有限元計(jì)算所得數(shù)據(jù)的對(duì)比如表1.2.1

由表1.2.1可以看出，首層失效計(jì)算所得的靜力結(jié)果低于實(shí)驗(yàn)測(cè)得承載力，相對(duì)誤差為-9.89%，所有層失效的極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果高于實(shí)驗(yàn)測(cè)得結(jié)果，相對(duì)誤差為+5.10%，相對(duì)于首層失效下的計(jì)算結(jié)果，相對(duì)誤差數(shù)值減小了48.43%，說(shuō)明極限強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果精度相對(duì)首層失效計(jì)算結(jié)果精確度提升接近一半。

2 結(jié)束語(yǔ)

使用GBT1448-2005纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法進(jìn)行壓縮性能試驗(yàn)時(shí)，由于碳纖維（玻璃纖維）強(qiáng)度較高，試件測(cè)試時(shí)破壞狀態(tài)為端頭壓潰，測(cè)得性能遠(yuǎn)低于實(shí)際性能。改用ASTM D6641或ISO 14126測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)可以避免此問(wèn)題。

由于箱梁鋪層與制作工藝相對(duì)較為復(fù)雜，手工工藝誤差較大且難以控制誤差方向。比如鋪設(shè)腹板 鋪層時(shí)，由于纖維預(yù)浸料沿纖維橫向全靠樹(shù)脂粘結(jié)，具有較好的延展性，所以鋪設(shè)纖維時(shí)很難保證實(shí)際鋪設(shè)角度與 的誤差大小及正負(fù)值，所以手工誤差導(dǎo)致的角度偏差會(huì)帶來(lái)較大影響。

參考文獻(xiàn)

[1] 李順林. 復(fù)合材料工作手冊(cè)[M]. 航空工業(yè)出版社， 1988（4）： 211.

[2] 周仕剛，潘志文，董國(guó)華. 復(fù)合材料薄壁箱梁的設(shè)計(jì)[J]. 纖維復(fù)合材料， 2014.

[3] 王震鳴編著. 復(fù)合材料力學(xué)和復(fù)合材料結(jié)構(gòu)力學(xué)[M]： 機(jī)械工業(yè)出版社， 1991.