徐志偉 余于仿 丁旭東 李若谷 陸桂來(lái)

(1.南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院,江蘇 揚(yáng)州,225127;2.常州機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院,江蘇 常州,213164; 3.中國(guó)能源建設(shè)集團(tuán)南京線路器材有限公司,江蘇 南京,210037)

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1 試驗(yàn)部分

1.1 主要原料

碳纖維,T700,日本東麗株式會(huì)社;高強(qiáng)度玻璃纖維,南京玻璃纖維研究設(shè)計(jì)院;玻璃纖維編織帶,山東魯發(fā)碳纖維復(fù)合材料有限公司;改性環(huán)氧樹(shù)脂,中國(guó)能建集團(tuán)裝備有限公司。

1.2 混雜纖維復(fù)合材料的制備

混雜纖維復(fù)合材料采用連續(xù)拉擠工藝,最外層為兩條玻璃纖維編織帶,中間部分的玻璃纖維/碳纖維比例根據(jù)力學(xué)性能要求合理配比。纖維放置在紗架上,單向集束,經(jīng)過(guò)浸膠槽浸漬樹(shù)脂膠液,由具有三段式加熱功能的鋼制模具進(jìn)行固化,然后通過(guò)兩段式加熱功能的固化爐進(jìn)行后固化成型,最終由收卷機(jī)進(jìn)行收卷。其中，模具一～三區(qū)溫度分別為150～190 ℃，160～200 ℃，200～230 ℃；后固化一區(qū)、二區(qū)溫度分別為160～200 ℃，200～230 ℃。

2 高溫拉伸試驗(yàn)

試驗(yàn)在上海電纜研究所200 kN高低溫材料試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,拉伸速度為2 mm/min,截取復(fù)合材料試樣,保證有效拉伸長(zhǎng)度為525 mm。將試樣置于120 ℃的烘箱內(nèi)靜置400 h,然后在高溫試驗(yàn)機(jī)的試驗(yàn)箱內(nèi)靜置1 h后在高溫下測(cè)試?yán)鞆?qiáng)度(5組試樣)如圖1所示。

圖1 芯棒高溫拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)示意

從圖1(b)可以看出,最外層的玻璃纖維和玻璃纖維編織帶未全部斷裂,說(shuō)明這部分材料尚未達(dá)到強(qiáng)度極限。內(nèi)層的碳纖維全部發(fā)生斷裂,表明碳纖維承擔(dān)了較多的載荷。這是由于混雜纖維復(fù)合材料的力學(xué)性能依靠纖維和樹(shù)脂之間的緊密結(jié)合作用來(lái)實(shí)現(xiàn),當(dāng)復(fù)合材料長(zhǎng)期處于120 ℃時(shí),樹(shù)脂發(fā)生軟化,強(qiáng)度下降,與纖維的結(jié)合力減少,載荷位移傳遞到碳纖維/玻璃纖維/玻璃纖維編織帶上,使得碳纖維承擔(dān)的載荷大于玻璃纖維/玻璃纖維編織帶[2]。

5個(gè)試件高溫拉伸強(qiáng)度實(shí)測(cè)值分別為2 561,2 549,2 539,2 436,2 565 MPa,平均值為2 530 MPa。試驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),試樣在斷裂破壞瞬間,發(fā)出巨響,出現(xiàn)樹(shù)脂粉末煙霧。但是,試樣斷裂前沒(méi)有明顯跡象,也沒(méi)有明顯的屈服極限。這是由于拉力載荷方向與樹(shù)脂中的玻璃纖維/碳纖維排布方向相同,隨著載荷的不斷增大,纖維發(fā)生斷裂,強(qiáng)度較小的樹(shù)脂也隨之?dāng)嗔选?/p>

3 拉伸破壞有限元分析

下面采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行仿真,建立4相(碳纖維、玻璃纖維、玻璃纖維編織帶、樹(shù)脂)復(fù)合材料力學(xué)模型[3],將直徑僅有幾微米的碳纖維/玻璃纖維絲合并為直徑較大的纖維線束模型,模型最外層包覆玻璃纖維編織帶。

將復(fù)合材料的4相結(jié)構(gòu)均采用映射劃分,從而保持了單元形狀的一致,劃分網(wǎng)格后的模型如圖2所示。

圖2 復(fù)合材料有限元網(wǎng)格模型

120 ℃長(zhǎng)期高溫下,纖維的初始應(yīng)力可以忽略,同時(shí)樹(shù)脂基體發(fā)生“軟化”,不考慮樹(shù)脂自身強(qiáng)度的影響。在復(fù)合材料模型端部表面施加拉力直至復(fù)合材料發(fā)生破壞斷裂,計(jì)算得出的復(fù)合材料及纖維的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖3所示。

圖3 復(fù)合材料的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系

從圖3可以看出,隨著載荷的增加,碳纖維一旦斷裂失效,剩余的纖維和樹(shù)脂不能承受如此大的應(yīng)力,隨即發(fā)生斷裂。當(dāng)復(fù)合材料應(yīng)力增加到2 498 MPa時(shí),復(fù)合材料斷裂,發(fā)生拉伸破壞。此時(shí),碳纖維的應(yīng)力達(dá)到破壞極限值4 920 MPa,而玻璃纖維的應(yīng)力為2 014 MPa,玻璃纖維編織帶的應(yīng)力為1 512 MPa,均未達(dá)到破壞值。

（四）以滾動(dòng)計(jì)劃為核心的作業(yè)許可管理。儲(chǔ)運(yùn)作業(yè)具有需敏捷管理的特點(diǎn)，敏捷管理的核心就是要根據(jù)現(xiàn)有資源，排定應(yīng)對(duì)計(jì)劃變動(dòng)的需求池。以天為最小單位的滾動(dòng)執(zhí)行計(jì)劃，是易于實(shí)踐的敏捷計(jì)劃管理實(shí)踐之一。在實(shí)際運(yùn)用中，采取了三天滾動(dòng)計(jì)劃的管理方法，要求變動(dòng)的計(jì)劃申請(qǐng)除限定范圍的緊急需求外，均安排在三天后進(jìn)行；穩(wěn)定了正常的作業(yè)安排，也使得工作所需的資源準(zhǔn)備更加充分。

4 高溫拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)

為了迅速定量計(jì)算混雜纖維的高溫拉伸強(qiáng)度,在拉伸破壞有限元分析的基礎(chǔ)上,探索建立了高溫拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型。

4.1 預(yù)測(cè)模型

由拉伸破壞有限元分析結(jié)果可以看出,碳纖維、玻璃纖維、玻璃纖維編織帶對(duì)復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度最大值的影響不同,復(fù)合材料破壞時(shí)承受的最大載荷表示為:

(1)

式(1)中,F為試樣破壞時(shí)承受的最大載荷,n1為碳纖維根數(shù),Tex1為碳纖維線密度,ρ1為碳纖維體密度,σ1為碳纖維拉伸強(qiáng)度極限值;n2為玻璃纖維根數(shù),Tex2為玻璃纖維線密度,ρ2為玻璃纖維體密度,σ2為玻璃纖維應(yīng)力;n3為玻璃纖維編織帶根數(shù),Tex3為玻璃纖維編織帶線密度,ρ3為玻璃纖維編織帶體密度,σ3為玻璃纖維編織帶應(yīng)力。

拉伸強(qiáng)度的表達(dá)式為:

σ=F/S

(2)

式(2)中,σ為拉伸強(qiáng)度;S為試樣的截面積。

混雜纖維復(fù)合材料的拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型表示為:

(3)

式(3)中，d為混雜纖維復(fù)合材料直徑。

4.2 預(yù)測(cè)模型計(jì)算結(jié)果與分析

將復(fù)合材料的纖維參數(shù)代入預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算,并將預(yù)測(cè)值與5個(gè)同一種纖維配比復(fù)合材料試樣拉伸試驗(yàn)值進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果表明,拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)值的最大相對(duì)誤差為2.68%,說(shuō)明模型精度較高。進(jìn)而,將不同纖維配比復(fù)合材料數(shù)據(jù)代入該預(yù)測(cè)模型進(jìn)行計(jì)算,并將預(yù)測(cè)值與拉伸實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如表1所示。

表1 復(fù)合材料拉伸強(qiáng)度實(shí)測(cè)值與預(yù)測(cè)值對(duì)比

從表1可以看出,復(fù)合材料高溫拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)值的相對(duì)誤差為1.26%～7.92%,表明所建預(yù)測(cè)模型精度較高。

5 結(jié)論

a) 對(duì)混雜纖維復(fù)合材料進(jìn)行了高溫拉伸強(qiáng)度試驗(yàn),結(jié)果表明:最外層的玻璃纖維和玻璃纖維編織帶未全部斷裂,說(shuō)明這部分材料尚未達(dá)到強(qiáng)度極限。內(nèi)層的碳纖維全部發(fā)生斷裂,表明碳纖維承擔(dān)了較多的載荷。

b) 有限元分析結(jié)果說(shuō)明,隨著載荷的增加,碳纖維首先斷裂失效,剩余的纖維和樹(shù)脂相繼發(fā)生斷裂,繼而計(jì)算得出了碳纖維、玻璃纖維、玻璃纖維編織帶對(duì)復(fù)合材料高溫拉伸強(qiáng)度定量影響程度。

c) 建立了混雜纖維復(fù)合材料高溫拉伸強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型,預(yù)測(cè)值與試驗(yàn)結(jié)果較好吻合,精度達(dá)92%以上。