自動鋪放內(nèi)嵌缺陷構(gòu)件成型方式對拉伸性能的影響

李韋清 楊 濤 劉思南 杜 宇 劉 暢

（1 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點實驗室，天津 300387）

（2 天津工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，天津 300387）

0 引言

近年來復(fù)合材料多在航空工業(yè)中用來減輕飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量和優(yōu)化性能［1-5］。制造業(yè)要求生產(chǎn)日益復(fù)雜形狀的產(chǎn)品同時要求減少產(chǎn)品中的缺陷，為了解決這個問題，自動纖維鋪放（Automated Fiber Placement，AFP）技術(shù)被開發(fā)出來，它將鋪放過程最優(yōu)化，并且嚴(yán)格控制鋪放過程中的工藝參數(shù)［6］。

控制自動纖維鋪放過程的本質(zhì)是控制鋪放過程中各種工藝參數(shù)（如鋪放溫度，鋪放壓力，鋪放速度等）以及鋪放軌跡［7-8］。在進(jìn)行鋪放軌跡的優(yōu)化時，可能會導(dǎo)致缺陷以間隙或重疊的形式出現(xiàn)，從而改變局部的幾何結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)。一些數(shù)值分析和實驗研究都集中在這些缺陷對組件最終機(jī)械性能的影響上［9-11］。

CROFT 等人［12］對內(nèi)含有扭曲絲束、重疊、空隙等缺陷的試件進(jìn)行了層剪、壓縮、拉伸等力學(xué)性能實驗，試驗結(jié)果表明試件中的內(nèi)嵌缺陷在沿試件長度方向時，構(gòu)件所能承載的壓力、拉力以及試件的層剪強(qiáng)度明顯下降。TUROSKI等［13］系統(tǒng)地研究了在張力和壓縮試驗中，單個和多個空隙缺陷對試件性能的影響。LI 等人［14］開發(fā)了一個3D 網(wǎng)格工具，可以自動地在數(shù)值上形成空隙和重疊，更加方便的研究奇點位置的厚度變化，分析空隙和重疊缺陷的影響。

在復(fù)合材料成型過程中，成型溫度和試件所受壓力的變化會影響試件成型過程中樹脂的流動［15］，會對含有內(nèi)嵌缺陷的復(fù)合材料構(gòu)件的力學(xué)性能和質(zhì)量造成一定程度的影響。因此應(yīng)該對自動鋪放過程中產(chǎn)生的缺陷進(jìn)行進(jìn)一步研究。本文的目的是利用實驗的方法來分析缺陷所帶來的奇點的影響，并通過增加模壓板改變試件成型過程中壓力分布的方法來消除奇點，研究模壓板對內(nèi)嵌缺陷試件力學(xué)性能的影響。

1 內(nèi)嵌缺陷試件的拉伸試驗

1.1 內(nèi)嵌缺陷

主要討論模壓板對含0°和90°纖維方向的內(nèi)嵌缺陷的試件拉伸性能的影響。將空隙或重疊缺陷集中布置在試件的中間位置，內(nèi)嵌缺陷層合板示意圖如圖1所示，設(shè)計如圖2所示。可看到，0°鋪層內(nèi)嵌缺陷試件按照［（90°/0°）5/90°］的鋪層順序進(jìn)行鋪放，將缺陷全部放置于0°纖維方向鋪層內(nèi)；90°鋪層內(nèi)嵌缺陷試件則按照［（0°/90°）5/0°］的鋪層順序鋪放，缺陷全部置于90°纖維方向鋪層。

圖1 內(nèi)嵌缺陷層合板示意圖Fig.1 Siagrammatic drawing of laminates with embedded defects

實驗利用2 絲束自動鋪放機(jī)器人鋪放4 種不同的缺陷試件，所用鋪放絲束寬度為6.35 mm，因此將缺陷寬度全部設(shè)為3.175 mm，即0.5倍絲寬。

按照試件成型過程中是否加模壓板，將其分為加模壓板與不加模壓板兩組。表1為試件編號及其對應(yīng)的缺陷規(guī)格設(shè)計表，實驗中缺陷類型分為4 組，成型方式為2 種。每組缺陷類型制備相應(yīng)的完好試件以進(jìn)行拉伸試驗對比。每種缺陷類型試件各制備5個進(jìn)行拉伸試驗。

圖2 試件內(nèi)嵌缺陷設(shè)計Fig.2 Embedded defects design of the specimen

表1 試驗試件種類設(shè)計Tab.1 The design of types of test specimens

1.2 層合板制備

為了確定模壓板對自動鋪放覆蓋層結(jié)構(gòu)的影響，將在真空模壓和真空袋成型進(jìn)行對比試驗，一系列含有缺陷的層合板被聚合而成。固化工藝為熱壓罐固化，模壓板是根據(jù)飛機(jī)制造商的規(guī)格，采用2 mm厚的鋼板。

此次試驗采用2 絲束自動鋪絲機(jī)器人鋪放層合板。試件分為真空模壓和真空袋兩種成型方式，為確保成型過程中的壓力保持一致，每組缺陷試件及其對應(yīng)的完好試件均在同一批次制造而成。

1.3 測試條件

針對設(shè)計后鋪放成型的試件，通過拉伸實驗來研究模壓板對內(nèi)嵌缺陷層合板力學(xué)性能的影響。采用Shimadzu AGS-X 型試驗機(jī)進(jìn)行拉伸試驗，拉伸速率為2 mm/min。試件的尺寸為250 mm×25 mm×2 mm（l×b×h）。實驗中采用雙組分環(huán)氧黏合劑，將50 mm×25 mm×2 mm 尺寸鋁片粘合到試件兩端，從而避免夾頭在夾持試件所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。

2 實驗數(shù)據(jù)分析

2.1 0°纖維方向

在0°纖維鋪層設(shè)計缺陷時，試件的鋪層順序按照［（90°/0°）5/90°］的設(shè)計方式進(jìn)行鋪放。圖3為缺陷在0°鋪層時樣本長度方向厚度的變化。可以看出在無模壓板成型的試件中，試件厚度在試件的中間位置有較大的變化，而加模壓板的試件成型后，整體厚度基本保持一致。圖4為0°鋪層空隙缺陷成型試件。

圖3 0°缺陷試件樣本長度方向的厚度變化Fig.3 Evolution of the thickness in the length direction according to the embedded defects

圖4 0°鋪層內(nèi)嵌空隙缺陷成型試件Fig.4 Embedded gap defect with 0°direction fiber

圖5為0°纖維方向空隙缺陷典型試件不加模壓板和加模壓板成型的載荷-位移曲線，實驗中拉伸載荷隨著試驗機(jī)上夾頭位置升高而加大，當(dāng)達(dá)到試件斷裂載荷時，試件發(fā)生了分層損傷或者出現(xiàn)斷裂點，試件喪失承載能力，此時可看到曲線圖中拉伸載荷急劇下降。

圖5 0°鋪層內(nèi)嵌空隙缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.5 Load-displacement curves of the tensile test of embedded gap defect with 0°direction fiber

圖6為0°纖維鋪層空隙缺陷試件的拉伸強(qiáng)度。可看出，不加模壓板成型的試件拉伸強(qiáng)度僅為12.86 MPa，而加模壓板成型的試件表面平整且拉伸強(qiáng)度為40.96 MPa。加模壓板成型的試件拉伸強(qiáng)度得到了顯著地提升，較不加模壓板成型的提升了218.5%。由于0°鋪層為主要承載層，缺陷置于0°纖維方向時，有缺陷試件拉伸強(qiáng)度與完好試件相差較大。

圖6 0°鋪層內(nèi)嵌空隙缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.6 Tensile strength of embedded gap defect with 0°direction fiber

圖7為0°鋪層重疊缺陷成型試件側(cè)面微觀圖。為了使觀察效果明顯引入了完好試件的側(cè)面微觀圖。在圖7（b）中可以看出重疊缺陷試件在加模壓板成型后，試件中間部分有明顯的纖維堆積，0°纖維層變厚。

圖7 0°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷成型試件Fig.7 Embedded overlap defect with 0°direction fiber

圖8為0°纖維方向重疊缺陷典型試件的載荷-位移曲線。該組試件的拉伸強(qiáng)度如圖9所示，不加模壓板的重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度為267.97 MPa，加模壓板成型的為452.91 MPa，兩者相比，加模壓板的試件拉伸強(qiáng)度比無模壓板成型的增加了69%。

圖8 0°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.8 Load-displacement curves of the tensile test of embedded overlap defect with 0°direction fiber

圖9 0°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.9 Tensile strength of embedded overlap defect with 0°direction fiber

2.2 90°纖維方向

缺陷布置在90°纖維鋪層時，試件鋪層順序按照［（0°/90°）5/0°］的設(shè)計方式進(jìn)行鋪放。缺陷在90°鋪層時樣本長度方向厚度的變化如圖10所示。圖11為90°鋪層空隙缺陷成型試件，在不加模壓板成型的試件中部空隙缺陷處，試件呈現(xiàn)凹陷的形貌，而在加模壓板成型的試件上下表面較為平整，但是可以清晰的看出試件90°纖維絲束被壓緊，存在內(nèi)部空隙現(xiàn)象，在空隙缺陷中，有一種樹脂流入空隙填補(bǔ)空隙的趨勢。

90°纖維鋪層空隙缺陷典型試件不加模壓板成型和加模壓板成型的載荷-位移曲線如圖12所示。

圖10 90°缺陷試件樣本長度方向的厚度變化圖Fig.10 Evolution of the thickness in the length of samples with 90°defects

圖11 90°鋪層內(nèi)嵌空隙缺陷成型試件Fig.11 Embedded gap defect with 90°direction fiber

圖12 90°鋪層內(nèi)嵌空隙缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.12 Load-displacement curves of the tensile test of embedded gap defect with 90°direction fiber

圖13為該組試件的拉伸強(qiáng)度變化情況。可看出，不加模壓板成型的試件的拉伸強(qiáng)度為907.25 MPa，加模壓板成型的為936.28 MPa，加模壓板的試件拉伸強(qiáng)度比無模壓板的提高了3.2%。由于0°纖維鋪層是主要的承力鋪層，因此缺陷設(shè)置在90°纖維鋪層時，模壓板對試件拉伸強(qiáng)度影響并不顯著。

圖14為90°鋪層重疊缺陷成型試件側(cè)面微觀圖，在不加模壓板成型的試件中，重疊缺陷區(qū)域呈現(xiàn)明顯的凸起形貌，而在加模壓板成型的試件中，可以發(fā)現(xiàn)內(nèi)部重疊現(xiàn)象的存在。

圖13 90°鋪層內(nèi)嵌空隙缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.13 Tensile strength of embedded gap defect with 90°direction fiber

90°纖維方向重疊缺陷典型試件的載荷-位移曲線如圖15所示。圖16為該組試件的拉伸強(qiáng)度，不加模壓板的重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度為737.83 MPa，加模壓板成型的為852.93 MPa，兩者相比，加模壓板的試件拉伸強(qiáng)度比無模壓板成型的增加了15.6%。

圖14 90°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷成型試件Fig.14 Embedded overlap defect with 90°direction fiber

圖15 90°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷典型試件拉伸載荷-位移曲線Fig.15 Load-displacement curves of the tensile test of embedded overlap defect with 90°direction fiber

圖16 90°鋪層內(nèi)嵌重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度Fig.16 Tensile strength of embedded overlap defect with 90°direction fiber

由于90°纖維層垂直于外加載荷方向，拉伸試驗中拉力的主要承載層不是90°纖維方向缺陷層，因此模壓板對90°纖維層缺陷試件拉伸性能的影響并不明顯。而且90°與0°纖維缺陷試件的拉伸載荷呈現(xiàn)的現(xiàn)象是不同的，90°重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度均低于空隙缺陷試件。主要是由于90°方向鋪層重疊缺陷試件，在缺陷部位因90°纖維的疊加導(dǎo)致重疊缺陷區(qū)域的厚度增加，此時與90°纖維方向相鄰的0°纖維鋪層會產(chǎn)生面外褶皺缺陷現(xiàn)象，因此該部位會有應(yīng)力集中，從而導(dǎo)致試件的拉伸強(qiáng)度下降。

2.3 斷裂形貌分析

圖17（a）為0°纖維鋪層缺陷典型試件的斷裂形貌。由于0°方向鋪層平行于試驗拉力方向，是試件的主要承力鋪層，因此試件會在內(nèi)嵌缺陷附近斷裂。除此之外，圖中還可以發(fā)現(xiàn)明顯的纖維斷裂和分層損傷。在拉伸過程中，試件首先在空隙或者重疊缺陷處產(chǎn)生裂紋，隨著拉力加大，裂紋會在層內(nèi)延展，造成分層損傷，直至在內(nèi)嵌缺陷附近產(chǎn)生明顯的纖維斷裂。

90°纖維鋪層典型缺陷試件的破壞形貌如17（b）所示。由于90°纖維層垂直于外加載荷方向，0°纖維層才是主要的承載層，因此，缺陷試件的斷裂并未完全發(fā)生在內(nèi)嵌缺陷附近。在試驗過程中，依舊是空隙或者重疊缺陷處首先發(fā)生斷裂，隨著拉力加大，裂紋逐漸擴(kuò)展，直至纖維斷裂。

圖17 內(nèi)嵌缺陷試件斷裂形貌Fig.17 Damage appearance of specimens with embedded defects

3 結(jié)論

（1）試件在成型過程中，若不加模壓板試件表面所受的壓力是均勻相同的，盡管成型后試件厚度上存在變化。不加模壓板成型的試件，在空隙缺陷處試件厚度減小，在重疊缺陷處試件厚度增加；與此相反，在試件表面加模壓板時，硬質(zhì)模壓板會改變試件表面所受壓力的分布，在重疊處給予較大的壓力，在空隙處給予較小的壓力，這一壓力的改變引起空隙和重疊缺陷處的樹脂流動。盡管試件內(nèi)部存在著空隙和重疊的區(qū)別，加模壓板成型的試件擁有基本一致的厚度，在一定程度上抑制了缺陷對試件拉伸強(qiáng)度的影響。

（2）研究了空隙和重疊兩種缺陷分別布置在0°和90°鋪層時，模壓板對缺陷的抑制作用。在試件成型的過程中，模壓板可以減小試件厚度的變化量，促進(jìn)樹脂流動。在0°鋪層設(shè)置缺陷時，空隙缺陷試件加模壓板后拉伸強(qiáng)度提升了218.5%，重疊缺陷試件增加了69%。缺陷在90°纖維鋪層時，模壓板對空隙和重疊缺陷試件拉伸強(qiáng)度的提升分別在3.2%和15.6%。

（3）在自動纖維鋪放過程中很容易引入空隙和重疊缺陷，這些缺陷不僅影響了試件局部的微觀結(jié)構(gòu)和幾何形狀，還對試件的力學(xué)性能產(chǎn)生影響，因此在復(fù)合材料試件成型時，利用模壓板不僅可以使試件表面更加平整，還能在一定范圍內(nèi)提高試件的性能。