便捷式纖維增強復合材料制備裝置結構設計 與仿真分析

孫 軼，陳智勇，黃曉婧，李紅剛，程豫龍， 賈松巖，康翔宇，宋偉志

（1.海軍裝備部，陜西 西安 710054； 2.洛陽理工學院 智能制造學院，河南 洛陽 471023； 3.中國航空工業集團有限公司 洛陽電光設備研究所，河南 洛陽 471009）

拉伸實驗是纖維材料最基本的力學性能測試實驗，高強度纖維板材的制備需要使用專業的拉伸設備來實現復合材料中增強纖維的有序排列，并且保證每束纖維上的張力一致，使得產品應力均勻、性能穩定。纖維增強的復合材料，通常是使用短切纖維和樹脂材料混合，通過擠出、注塑、滾壓或采用浸漬、液體傳遞模塑等方法制備得到相應的產品。其優勢在于比強度和比模量比較高、材料的力學性能具備可設計性、抗腐蝕與耐久性比較好，通常用于各種建筑橋梁、公路以及軍事領域。通常這種纖維增強材料的基體雜亂無章，需要使用纖維拉伸裝置實現復合材料中增強纖維的有序排列。目前國外針對單向纖維材料的拉伸試驗研究甚多，但是國內對于纖維增強材料的力學性能的試驗研究尚不充分，作為材料基本力學性能的拉伸模量和強度，無法直接通過拉伸試驗測得。

為了實現復合材料中增強纖維的有序性，從而提高板材強度，研究人員提出了很多纖維拉伸方法及拉伸裝置，通常分為三大類：

（1）基于壓電的懸臂梁式。此裝置耦合在電光學顯微鏡上，能實現原位力學性能測試，結合定量化的力學信號給出納米材料力學性能的物理圖像。

（2）超聲震動拉伸式。此裝置利用超聲震動原理對材料進行超聲力學性能測試，試驗效果好，并且解決了超聲頻率和超聲振幅對材料斷裂韌性的影響問題。

（3）采用模壓和真空袋壓成型式。此方法把纖維絲束筒安裝于管架上，抽出纖維絲束抽頭，絲束經過浸漬槽浸漬樹脂后通過擠壓輥擠壓使得樹脂充分進入絲束內部，且擠去多余的樹脂，然后將絲束纏繞在纏絲架上，最后固化成型。

以上所述拉伸裝置，從最早期的純機械形式，發展為機械、光學、電磁學多種形式融合，其拉伸裝置的結構復雜、造價成本較高、對操作人員的技術要求較高，適用于公司批量生產，能夠提高生產效率，提高生產質量。但對于個人及實驗室的小批量科研、生產來講，成本過高，操作不便。

基于上述原因，本文設計了一款結構簡單、價格低廉，適于小批量生產且操作容易的便捷式纖維增強復合材料制備過程中的拉伸裝置，以解決實驗室以及個人的生產需要，制備出的纖維板材強度高，韌性好且質量優。通過結構分析、有限元模擬及優化，驗證拉伸裝置的合理性。

1 單向拉伸裝置的整體設計

1.1 拉伸裝置的基本要求

本設計主要針對浸漬樹脂的單向纖維拉伸裝置，保證纖維材料在拉伸過程中受力均勻，提高單向纖維制品性能的穩定性、均勻性，用于固化后制備纖維板材。其具體設計要求如下：

（1）整體結構簡單，加工容易，操作便捷；

（2）小型輕量化，質量小于20 kg，尺寸小于或等于250 mm×200 mm×100 mm；

（3）位移只發生在水平方向，保證垂直方向無位移；

（4）拉伸精度高，能實現拉伸寬度的調整。

1.2 拉伸材料的選取

拉伸裝置的結構設計與其材料有著密切的聯系。拉伸裝置的材料需要在結構合理的情況下，保證較高的強度，滿足設計要求。常見的高強度材料有碳鋼、球墨鑄鐵、青銅、合金鋼及鋁合金等。其中碳鋼脆性大不易生產，青銅材料質軟易變形，合金鋼價價格貴成本高，綜合考慮材料屬性以及價格成本問題，最終選擇鋁合金作為拉伸裝置的材料。鋁合金的具體性能參數如表1所示。

表1 鋁合金材料參數

鋁合金的型號不同，其材料特性也有所差異。常用的鋁合金型號有7075高強度鋁合金和7050高強度鋁合金。這兩種型號的鋁合金特性基本一樣，但7075高強度鋁合金焊接性能較差，不易加工。因此最終選擇7050高強度鋁合金作為拉伸裝置的首選材料。

1.3 拉伸裝置的整體結構設計

根據前面所述的設計要求，最終拉伸裝置的結構如圖1所示，其裝置主要結構包括：固定支撐板（設置有均布的螺紋孔）、拉環（帶有螺紋方便與支撐板連接，前端有開口度用來纏繞纖維材料）、滑軌（四條）、下加長板（兩條）、電磁感應器、搖桿、上加長板（兩條）、底座（在底面上設置一個滑軌用來使拉體滑動）、可移動支撐板、拉體（下端有一個滑塊，與底座滑軌相連）、顯示屏。

圖1 便攜式纖維增強復合材料制備裝置結構示意圖

為使拉伸裝置更加穩定，首先從制造工藝角度，要求底座滑軌表面要盡可能光滑，使其與拉體接觸面的摩擦盡量小，而且裝配以后不會產生左右位移，確保只在滑軌方向移動。其次從安裝角度考慮，要求拉體上的四個滑軌需限制可移動支撐板在滑軌方向移動，且在左右方向沒有位移。底座與地面要固定且良好接觸，保證整個裝置穩定的放置在水平面上，在受力的情況下不會傾斜和移動。再次，為了有效減小拉環對纖維材料的損壞和容易纏繞和取下纖維材料，拉環尾端螺紋連接保證拉環不會晃動，且在拉環外面包裹一層聚四氟乙烯軟管，且保證軟管與拉環相對貼合。最后，不使用本裝置時，左右加長板可以收縮節省空間，使用時可以拉出來依靠拉環固定位置。此外，電磁感應器為外購原件，應精確控制它的靈敏度及測力范圍，保證測力范圍在纖維材料的受力臨界范圍內。

2 單向拉伸裝置的結構設計

2.1 底座結構

底座對整個結構起支撐作用，作為主框架連接整個結構。如圖2所示，其底部有一個滑軌且底面保證水平，后側設置有帶有螺紋的盲孔，以用來連接搖桿。

圖2 底座結構示意圖

2.2 拉體結構

拉體結構連接底座與可移動支撐板，起到支撐前半部分的拉環作用，可以與滑軌配合前后移動。上面設置一個通孔用來穿過電子測力器的導線，下底面加工精度較高，以保證光滑狀態減少 摩擦。下端設計為倒梯形防止導軌在豎直方向發生位移，如圖3所示。

圖3 拉體結構示意圖

2.3 滑軌結構

四個滑軌位置固定在拉體兩側，可移動支撐板裝配在四個滑軌內部，與滑軌保持相對滑動（滑軌理想情況下沒有摩擦），要保證上下和左右對齊并不存在錯位情況，如圖4所示。

圖4 滑軌結構示意圖

2.4 搖桿結構

搖桿結構為施力裝置，是整體結構的控制點，靠手搖來對機構施加外力，依靠螺紋傳遞力可精確控制力的大小，螺距為2.25 mm，總長為110 mm，手柄處加裝橡膠起到防滑和防磨手的作用，如圖5所示。

圖5 搖桿結構示意圖

2.5 固定支撐板結構

固定支撐板結構在整個結構的后半部分，有十三個螺紋孔連接后部的拉環，下端與底座連接兩側可以加裝加長板，且固定不動，如圖6所示。

圖6 固定支撐板結構示意圖

2.6 可移動支撐板

可移動支撐板結構與四個滑軌連接，前端連接電磁感應器，同時固定前部的拉環，可以前后移動。有十三個螺紋孔連接拉環，兩側可以加裝加長板，如圖7所示。

圖7 可移動支撐板結構示意圖

2.7 單向拉伸裝置的安裝和操作

本單向增強纖維拉伸裝置安裝方便，操作簡單，結合圖1所示裝配圖，可按照如下所示步驟進行安裝和操作：

（1）底座固定在適宜的位置，將拉體按照設計的位置安裝；

（2）將可移動支撐板和電磁感應器安裝在拉體上；

（3）將增強纖維在配好的樹脂液中完全浸漬，瀝出多余的樹脂；

（4）將步驟（3）中處理完成的纖維固定在固定支撐板最外側的拉環上，然后依次纏繞；

（5）根據纏繞的纖維數量及纖維傾斜角度計算整個裝置需要施加的載荷，對搖桿施加旋轉的力，固定，然后進行預固化處理；

（6）將步驟（5）中已經預固化的纖維取下，并盡快按照設計方案進行固化，制備得到單向纖維增強復合材料。

3 剛度強度有限元分析

由于便捷式纖維增強復合材料制備裝置在對復合纖維進行拉伸過程中，其組成部件同樣受到拉伸應力，在此采用ANSYS進行有限元分析，以驗證設計結構的正確性。該裝置在使用過程中，主要受力部件為支撐板，因此在有限元仿真模擬過程中，在對裝置的整體結構簡化后，重點對支撐板的剛度和強度進行有限元分析。

將該裝置簡化后的三維模型導入ANSYS，定義材料屬性。根據該裝置的結構特點，分別使用殼單元和實體單元進行網格劃分，以殼單元為主，根據三維模型的結構特點，采用自由劃分、映射劃分和掃掠劃分相結合的方法進行劃分。根據該裝置使用過程中的運動特點，約束模型的自由度，將載荷換算為面載荷施加到受力部位，最后求解。查看并分析結果，重點查看本裝置的位移及等效應力等值線圖等靜力分析結果。

3.1 支撐板的有限元分析

由于本裝置在工作過程中，主要受力點在支撐板（其厚度為5 mm），因此對支撐板作單獨的分析。對支撐板網格進行自由劃分，網格數為74 669個。將支撐板的下地面中間一部分定義約束，設置為所有方向，施加0.02 MPa的載荷。網格劃分圖和加載后的模型如圖8所示。

圖8 網格劃分及約束加載模型

最終的結果如圖9所示，可見變形主要發生在板的下側。由于變形量極小，最大約為0.069 mm，所以變形可以忽略；最大等效應力約為115.4 MPa。

圖9 支撐板的分析結果

3.2 整體結構的仿真分析

圖10 網格劃分與約束加載模型

其分析結果如圖11所示，由結果可知，變形主要發生在板的兩側，且變形量極小，最大變形量為0.091 328 mm，所以變形可以忽略。應力主要集中在移動支撐板上，最大等效應力為181.66 MPa。

圖11 簡化模型分析結果

由以上仿真分析結果可知，支撐板和整體簡化模型的變形量都很小，支撐板最大變形為0.069 mm，整體模型的最大變形為0.091 328 mm，在允許范圍內；本裝置選用鋁合金材料，其最大許用應力為505 MPa，分析結果顯示，支撐板等效應力最大為115.4 MPa，整體模型等效應力最大為181.66 MPa，均小于鋁合金材料的許用應力，強度能夠滿足需要。

4 結論

為了方便分析計算，對整體結構進行簡化，并對簡化模型進行分析計算。對模型進行自由劃分，網格數為98 813個。底座固定在水平面上，因此選擇下底面定義約束，并約束所有方向。施加載荷的大小為1 000 N，有限元模型如圖10所示。

（1）針對現有纖維拉伸裝置結構復雜、制造成本高的缺點，并確保在纖維拉伸過程中，精確控制每束纖維上的張力，保證纖維制品的性能，設計了一款結構簡單的單向纖維拉伸裝置。

（2）該單向纖維拉伸裝置可以保證拉伸移動軌跡的精確性，可自由伸縮，既能增加材料拉伸的工作寬度，又可以收縮，使尺寸更小。

（3）在SolidWorks軟件中建立其三維模型，然后在有限元分析軟件ANSYS中進行剛度、強度的仿真分析，結果表明，剛度和強度均滿足要求。