材料應(yīng)用是連續(xù)碳纖維熱塑性樹脂復(fù)合材料(CFRTP)現(xiàn)階段的重點(diǎn)研發(fā)對象,由于復(fù)合材料特性,可以通過鋪層方式的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計,使得制作的產(chǎn)品能夠最大程度的發(fā)揮出其性能優(yōu)勢,本文這針對連續(xù)碳纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)在承受彎曲荷載情況下的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計及其面外剪切模量對材料行為的影響相關(guān)內(nèi)容解析。
隨著輕量化趨勢在航空、汽車、以及先進(jìn)制造業(yè)的不斷推進(jìn),連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料(CFRTP)因具備高強(qiáng)度、高剛性、良好的耐腐蝕性及設(shè)計靈活性等優(yōu)點(diǎn),成為了高性能結(jié)構(gòu)材料的首選。然而,在復(fù)雜的彎曲載荷作用下,CFRTP的性能表現(xiàn)與結(jié)構(gòu)設(shè)計、纖維鋪設(shè)方向及材料本身的面外剪切特性密切相關(guān),這要求工程師在設(shè)計過程中進(jìn)行精準(zhǔn)的理論分析與優(yōu)化。
通俗的說,就是需要一個零部件在受力彎曲的狀態(tài)下,有非常好的性能,又能夠不容易斷開。這就需要通過不斷的計算和模擬,從而獲得最佳的擺放方式,讓材料在極限應(yīng)用中,也更結(jié)實(shí)。找出了怎么調(diào)整碳纖維的布局,以及如何選擇合適的塑料材料,來減少這種扭曲,讓CFRTP制成的東西在彎曲時既強(qiáng)又穩(wěn)。
首先是CFRTP結(jié)構(gòu)優(yōu)化,通過理論模型與數(shù)值模擬(如有限元分析)相結(jié)合的方法,分析了CFRTP層合板在彎曲荷載作用下的應(yīng)力分布與變形模式。優(yōu)化纖維鋪設(shè)角度與層數(shù)對提高整體結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度的重要性,以及如何通過合理設(shè)計纖維堆疊序列來抑制或分散局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。
CFRTP的一個機(jī)械特性是楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)的比值。這里面就是跟材料的低切向剪切有關(guān)系,并且在在進(jìn)行E1/G13的比率還跟纖維形態(tài)以及加熱條件有關(guān)系。在有限元分析中采用懸臂長度L、寬度b和初始厚度t0被設(shè)置為100mm、10mm和10mm情況下。在邊界條件下,集中載荷P=100N作用于一個邊緣,另一個邊緣固定但可以在z方向上移動以進(jìn)行自由形狀優(yōu)化過程。得出想要的結(jié)果,從而在產(chǎn)品設(shè)計階段,無論是做運(yùn)動器材、汽車零件還是其他高科技產(chǎn)品,都能更好地利用這種材料的優(yōu)點(diǎn),做出既輕便又耐用的好東西。這里可以看下圖:
再進(jìn)行面外剪切模量的影響因素測試,面外剪切模量(G_shear)是衡量材料抵抗面外剪切變形能力的指標(biāo),對于理解CFRTP在彎曲條件下的行為至關(guān)重要。面外剪切變形會導(dǎo)致有效截面減小,進(jìn)而影響材料的承載能力和穩(wěn)定性。通過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,了解面外剪切模量如何影響CFRTP的彎曲剛度和強(qiáng)度,特別是在多層復(fù)合結(jié)構(gòu)中,各層間剪切應(yīng)力的傳遞效率直接關(guān)聯(lián)到整體結(jié)構(gòu)的性能。這里可以看下圖跟鋼材鋁的對比,其中CTT和CTM均是連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料,表現(xiàn)出了不俗的性能優(yōu)勢。這里研究的意義在于,產(chǎn)品在需要彎曲變形狀態(tài)下依然有非常好性能,相較于鋼材,CFRTP材料就可以更好的實(shí)現(xiàn)想要的效果,有能夠更好的完成產(chǎn)品制作。
另外在特殊的領(lǐng)域中,還需要考慮到不同溫度下的性能表現(xiàn),那隨著溫度升高,CFRTP的楊氏模量(E1)與切向剪切模量(G13)都會降低,但G13的降低速度更快,因此在高溫情況下,CFRTP產(chǎn)品具備更好的安全系數(shù)。
這樣的數(shù)據(jù)能夠更好的為CFRTP材料零部件帶來合適的優(yōu)化策略和應(yīng)用,再通過調(diào)整纖維排列和層合結(jié)構(gòu),以最小化面外剪切變形對彎曲性能的負(fù)面影響,從而實(shí)現(xiàn)CFRTP結(jié)構(gòu)的輕量化與性能最大化,尤其是在那些需要承受復(fù)雜載荷工況的高性能結(jié)構(gòu)件中,如航空航天領(lǐng)域,這也是現(xiàn)階段跟智上新材料進(jìn)行深度對接的客戶領(lǐng)域。
東臺智上新材料作為率先完成連續(xù)碳纖維熱塑性復(fù)合材料(UD)單向帶量產(chǎn)的廠家,也在不斷的深究CFRTP材料未來的研究方向,不斷探索CFRTP材料體系,來推動CFRTP材料在各領(lǐng)域中的創(chuàng)新應(yīng)用。
部分?jǐn)?shù)據(jù)參考:www.researchgate.net