不同流通間隙排布條件下碳纖維束展纖行為研究

牛雪娟，徐妍慧

(1.天津工業大學 機械工程學院，天津 300387；2.天津市現代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

碳纖維是含碳量在90%以上的無機高分子材料，既具有質量輕、強度高、導電性好、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變等碳材料的固有特征，又兼具紡織纖維的柔軟可加工性，被廣泛應用于航空航天、建筑橋梁、體育器材等領域[1-2]。無論原材料是單向預浸布還是纖維布，其厚度越薄，物理性能的偏差越小，用其制備出來的復合材料的力學性能也越好[3]，因此，為得到高性能的碳纖維復合材料，實際應用中需要通過特定的碳纖維展纖工藝，例如機械展纖、超聲波展纖和氣流展纖等，將碳纖維束均勻地展寬、展薄、展平。

由于機械摩擦的存在，傳統的機械展纖方法會導致纖維絲表面磨損。近幾年，由于對表面質量或力學性能要求高的應用，研究人員嘗試采用氣流展纖的方法[4]。氣流展纖過程中，存在柔性體與流體相互耦合運動。趙冉等研究分析了單根柔性纖維在多場耦合作用下的動態響應[5]。金玉珍等通過迭代求解和數據分析得到纖維在噴氣織機主噴嘴高速氣流中的運動特性[6]。郭臻等建立三維模型模擬了纖維在噴氣渦流紡噴嘴流場中的運動[7-8]。上述研究中的纖維一般為短纖維(長度均不超過50 mm)。本文針對長纖維束進行研究，絲束中包含的數萬根單絲均為柔性體。長纖維束在流場中會發生大變形，難以用傳統的基于網格的仿真方法來仿真。

因此，本文通過同時離散時間和離散纖維的方法，用離散的纖維微元在展寬方向上的運動分布來分析纖維束的受力情況。并將纖維束傳輸方向設為X方向，纖維束展寬方向設為Y方向。對碳纖維氣流展纖工藝中的流體-纖維微元相互作用進行多物理場耦合模擬。通過分析流通間隙的位置分布對流場內纖維微元在Y方向的分散和受力情況的影響，對氣流展纖器結構進行優化，以期得到性能更佳的纖維預浸料。

1 流固耦合場的數值模擬

1.1 二維氣流展纖流場

氣流展纖機制是通過離心風機抽取空氣，造成壓差，使纖維逐漸分離展寬。碳纖維束的初始狀態如圖1(a)所示，纖維束受到兩側氣流的影響。理想情況下兩側的氣流速度大小相等方向相反，因此空氣流動速度v1p2，其中v1和p1分別為展纖通道中心區域的氣流速度和壓力，v2和p2分別為展纖通道兩側區域的氣流速度和壓力。在氣流的作用下，靠近外側的纖維單絲先向外移動，如圖1(b) 所示。之后氣流作用到靠近纖維束中心的纖維單絲上，使其逐漸向兩側移動。穩定后的纖維束如圖1(c)所示。

圖1 氣流展纖機制Fig.1 Air flow spreading mechanism.(a) Original state;(b) Progress of development;(c) Steady state

通過建立二維氣流展纖流場和纖維微元跟蹤場，利用流體-纖維微元耦合模擬大絲束纖維在流場中的受力情況。將一定數量的纖維微元以陣列形式排布在流場中，實現纖維微元跟蹤場的初始化。

模型參照48 K纖維束建立，其纖維數目達 48 000 根，原絲束的寬度為16 mm，平均厚度為3.7 mm。氣流展纖器為對稱結構，為減小計算負荷，建立1/2CFD(computational fluid dynamics)模型[9]，如圖2所示。圖中的對稱邊界即為整個模型的對稱面。隔板上有9個氣流間隙，溝通展纖器內外流場。展纖通道長500 mm，隔板至對稱面的距離為25 mm，9個流通間隙寬度均為5 mm。隔板上間隙的排布會對流場內壓力和氣流速度造成直接影響。模型正下方的氣流出口連接變頻離心風機，通過調節風機頻率可改變氣流展纖器出入口間壓力差。在負壓作用下，外部氣流從纖維束入口和纖維束出口進入氣流展纖器。由于流通間隙存在，展寬通道中心與兩側形成壓差，促使纖維束縱向展開。

圖2 氣流展纖器流場平面圖Fig.2 Sketch of flow field of airflow spreader

碳纖維束在傳送輥的帶動下，由纖維入口進入展纖器，通過展纖通道，最后從纖維出口離開展纖器。纖維入口和纖維出口均為氣流入口，分別命名為氣流入口1和氣流入口2，而連接離心風機的端口為氣流出口。氣流入口1寬度為20 mm，氣流入口2寬度為50 mm。

經計算，主要展纖部分的流場的雷諾數約為 38 000，故視為湍流。為量化對比不同流通間隙排布條件下纖維束展纖行為，研究中將相鄰兩流通間隙間距和最右流通間隙到右壁面的距離分別定義為變量H和L。為使仿真更貼近實際工況，考慮氣流展纖器內壓力的反饋影響，添加遠場區域。為兼顧仿真精度和計算負荷，依據前期研究[10]，設置遠場區域長度為150 mm。仿真結果對比如圖3所示，當仿真采取的進出口壓差與相關研究[10]中的一樣時，隔板處的氣壓仿真結果趨勢相同且與實驗結果更為接近。故流場仿真準確性可靠。

圖3 仿真結果對比圖Fig.3 Comparison diagram of simulation results

1.2 纖維微元運動方程

由牛頓第二定律可得單個纖維微元的動力學方程[11-12]：

式中：mp為纖維微元質量，kg；up為纖維微元速度，m/s；FD為流體阻力，N；FA為附加質量力，N；FB為Basset力，N；FS為Saffman力，N；FM為Magnus力，N；FP為流體梯度壓力，N；FC為纖維微元之間和纖維微元與壁面之間碰撞所產生的力，N；FG為由重力產生的體積力，N。

一般情況下，式中各項力的量級不同，對微元的影響度存在較大差異。當纖維微元以一定的初速度在流場中運動時，由于與流體存在速度差，會受到流體阻力。通常流體阻力的量級較大，無法忽略。對式中的各項力進行合理取舍，不在顆粒的動力學方程中考慮Magnus力和顆粒之間及顆粒與壁之間的力。按照孫銘陽等[11]的研究方法將各項力的量級與流體阻力的量級進行比較。取空氣的密度為1.293 kg/m3，動力黏度為1.845 Pa·s。纖維微元直徑為7 μm，纖維微元與氣流速度差約為5 m/s。比較結果如下：FA/FD=1×10-8，FB/FD=1×10-3，FS/FD=1×10-5，FP/FD=1×10-7，FG/FD=1×10-4。最終得到纖維微元動力學方程組：

式中：ρf為流體密度，kg/m3；dp為纖維微元直徑m；CD為曳力系數；uf為液體速度，m/s；μ為流體動力黏度，N·s/m2。

2 模型建立及結果分析

2.1 流體流動纖維微元跟蹤設置

仿真中將單根纖維離散為直徑為7 μm的球形纖維微元。根據碳纖維單絲密度將纖維微元密度設為1 700 kg/m3。利用從“柵格釋放”設置纖維微元的初始位置。使纖維微元在X方向從-250 mm至250 mm，間隔為10 mm，Y方向從-8 mm至0 mm，間隔為0.5 mm，以陣列形式排布。圖4所示為纖維微元初始位置的局部示意。

圖4 纖維微元初始位置局部示意圖Fig.4 Local schematic diagram of the initial position of fiber micro elements

考慮到整個展纖過程中，纖維絲束在兩側的傳輸裝置的牽拉作用下，在X方向為勻速，可以假定構成長纖維的各個微元在X方向上綜合外力為0。因此，為簡化仿真，用較簡便準確的方式研究碳纖維束的受力，仿真模型不考慮纖維微元在X方向上的受力。僅對纖維微元在Y方向上受到的分布和受力情況進行研究。通過分析纖維微元在Y方向受力的情況，間接分析展纖流場對纖維絲束的展寬作用，以此為依據優化氣流展纖器。

由纖維微元動力學方程組可得，在本文流場工況下可以只考慮纖維微元受到的流體阻力。因此設微元的初始速度為0，X方向不受外力，Y方向上受流體阻力。X坐標相同的纖維微元可代表纖維束某一橫截面上的點，Y坐標相同的纖維微元可代表同一根纖維單絲上的點。當有最外側的纖維微元碰觸到流通間隙所在隔板，象征此時碳纖維束中最外側的單絲已經碰到隔板。如果繼續仿真，代表靠近纖維束中心的纖維微元也會碰到隔板，即纖維單絲聚集在纖維束外側，展寬后的纖維分布不均勻。因此當有最外側纖維微元碰到隔板時停止仿真。

2.2 邊界條件設置及網格劃分

在離心風機作用下，氣流展纖器出入口產生 75 Pa 的負壓。流場模型的參考壓力水平為1大氣壓，即101 325 Pa。遠場區域上的氣流入口壓力邊界條件PI為0 Pa，氣流出口壓力邊界條件P0為-75 Pa。考慮空氣在展纖器內的流速不高(2.64 m/s)，并且通過流場的時間較短，因此即使展纖器內壁并非絕對理想光滑，也可以將空氣在展纖器的流動近似看作絕熱且無需考慮摩擦。設流場溫度為室溫293.15 K。用自由三角形網格對流場進行網格劃分，在不同區域適當調整網格粗細，對流場的邊和角進行邊界層網格劃分以及角細化。

2.3 展纖器內流固耦合結果分析

2.3.1 流場速度分布

當最右流通間隙到氣流入口2的距離L為50 mm，相鄰兩流通間隙間距H為15 mm時，待流場穩定后得到流場速度在Y方向上的分量圖5所示。從Y方向分量云圖只能明顯看出前8個流通間隙處的Y方向流速，最右側第9個流通間隙處的Y方向流速與周圍流場的并沒有明顯區分。圖6示出隔板所在截線的Y方向速度分量。前8個流通間隙處的流速出現了明顯的峰值，即峰a～峰h，第9個流通間隙處的峰i則遠低于其他的峰。此外，在近 250 mm 處流場Y方向速度分量快速上升。這是因為在氣流入口2即250 mm處，貼近展纖器外壁的氣流在進入展纖器的展纖通道時受到直角壁面的影響。

圖5 隔板處Y方向速度分量云圖Fig.5 Cloud diagram of velocity component in Y direction at baffle

圖6 隔板所在截線的Y方向速度分量Fig.6 Y direction velocity component of the intercept line where the partition is located

2.3.2 纖維微元運動特征分析

在進行碳纖維展纖時，碳纖維束在氣流的作用下可能向兩側展寬，也可能維持原狀，甚至是產生聚集，因此需要借助纖維微元的運動對碳纖維展纖的效果進行分析。纖維的展寬寬度取決于最外側纖維的距離，因此對代表最外側纖維的纖維微元進行研究。獲取每一組最外側纖維微元的Y坐標，并求得其加速度，計算后得到纖維微元的受力。由于纖維從開始展開至碰到隔板所經歷的時間很短，在 10-2s 量級，故用平均速度代替。最外側纖維微元的受力如圖7所示，其中與纖維展寬方向相同為正，與纖維展寬方向相反為負。

圖7 最外側纖維微元受力Fig.7 Outermost fiber microelements under stress

在靠近氣流入口1的區域Ⅰ，纖維微元受到促使其靠近對稱面的流體阻力，并且這個力逐漸減小。在中間長265 mm的區域Ⅱ，纖維微元在Y方向上幾乎不受流體阻力的作用。在X為52 mm開始的區域Ⅲ，纖維微元受到促使其遠離對稱面流體阻力，且這個力陡增后呈波動減小趨勢。在靠近氣流入口2的區域Ⅳ，纖維微元又受到促使其靠近對稱面的流體阻力。

從上述纖維微元的受力運動分析可以得出：促使纖維展寬的區域Ⅲ僅在流場的后半小段，其長度約為180 mm。纖維受到促使其展寬的力比較集中。在剛進入氣流展纖器和即將出氣流展纖器時，即在區域Ⅰ和區域Ⅳ，纖維受到與其展寬方向相反的力，這2個區域的總長約為50 mm。

3 不同流通間隙條件下的展纖行為

3.1 不同流通間隙排布對耦合場的影響

為了使纖維展寬的區域Ⅲ更長，阻礙纖維展寬的區域Ⅰ和區域Ⅳ縮短，纖維受到促使其展寬的力更加分散且平和，改變流通間隙分布的參數，如表1所示。

表1 流場編號及流通間隙分布參數Tab.1 Flow field numbering and fractal flow path parameters

圖8示出各流場中隔板所在截線的Y方向速度分量。當相鄰流通間隙的間距H為15 mm時，每個流通間隙對應一個峰值，氣流速度為負值，促使纖維展寬。2個相鄰流通間隙間的氣流速度為正值，與纖維展寬的方向相反。在1-1和2-1 2種參數下，最右側第9個流通間隙的峰值不明顯。當流通間隙間的距離H由15 mm改為25 mm后，削弱了相鄰流通間隙間為正值的速度，有利于纖維持續受力展開。在2-2參數下，第3個流通間隙對應的峰值消失。原因是通過其邊上兩個流通間隙的氣流在此處產生了一個渦，導致Y方向速度分量為零。氣流從氣流入口2處進入展纖器時，其方向無法隨著展纖器的結構快速突變，導致氣流入口2處的氣流Y方法分量速度陡增。并且L越小，能夠使氣流得到緩沖的距離越短，氣流入口2處的Y方向分量速度越大。

圖8 各流場中隔板所在截線的Y方向速度分量Fig.8 Y-direction velocity component of cross-sectional line where bulkhead is located in each flow field

圖9示出各流場中最外側纖維微元的受力，定義與纖維展寬方向相同為正，與纖維展寬方向相反為負。圖10示出各流場中促使纖維展寬的區域Ⅲ的長度D和阻礙纖維展寬的區域Ⅳ的長度S。

圖9 各流場中最外側纖維微元受力Fig.9 Outermost fiber microelements in each flow field is subjected to a force

圖10 各流場中區域Ⅲ和區域Ⅳ的長度Fig.10 Length of region III and region IV in each flow field

由圖可知，通常情況下第1個和第9個流通間隙截面處的纖維微元受到的力較大，處在第2～8個流通間隙之間的纖維微元受到的力較小。在2-2參數下，纖維微元的平均受力小于1-2和3-2參數下纖維的平均受力。如圖10所示，當流通間隙間的距離H增長為25 mm后，流場中促使纖維展寬的區域的長度D增長至原來的1.5倍，有利于纖維展寬。當最右側流通間隙到出口的距離L減小至 5 mm，近氣流入口2處阻礙纖維展寬的區域Ⅳ長度S明顯縮短。即3-2參數下的區域Ⅳ較1-2參數下的區域Ⅳ更短。

綜上，在6種流通間隙排布情況中，3-2參數下的流場相對較優，對比原先1-1參數下的流場有明顯改善。

4 結 論

利用多物理場仿真軟件COMSOL的流體流動顆粒跟蹤模塊對流場進行建模。將碳纖維看作離散的纖維微元，進行流體-纖維微元相互作用多物理場耦合。通過對氣流速度場以及纖維微元受力數據進行分析，針對流通間隙分布對流場以及纖維展寬的影響，得到結論如下：

1)相鄰流通間隙的間距H由15 mm增大至25 mm，氣流展纖器內促使纖維展寬區域的長度D也隨之增大1.5倍左右。

2)隨著最右流通間隙到氣流入口2的距離L減小后，阻礙纖維展寬的區域Ⅳ的長度縮短為原先的0.65倍。

3)傳統仿真方法難以應用于會產生大變形的長柔性體。本文提出將長碳纖維束離散為纖維微元，利用COMSOL的流體流動顆粒跟蹤模塊進行流固耦合仿真。該方法能夠有效分析纖維束在流場中的受力，為流場的改進提供參考依據。同時也為長柔性體在流場中的受力分析仿真提供新的思路和方法。

FZXB